RAiGV光束在各向异性非Kolmogorov大气湍流中的传输特性

摘要

近些年来，无衍射艾里光束、涡旋光束和矢量光束等新型光束的提出以及实现，为广大学者研究如何减少光在大气湍流中的传输效应提供了新的方向。艾里光束具有无衍射性、自横向加速性以及自修复性，在大气湍流中传输具有较强的抗干扰能力;涡旋光束在大气湍流中的抗干扰能力也强于普通光束，以其携带的轨道角动量作为载体可以实现对信息的编码和传输，稳定性较高;矢量光束自身具有的偏振编码方式在传输过程中不易受大气湍流的影响。圆艾里高斯涡旋光束(Ring Airy Gaussian Vortex Beams，RAiGV)同时具有艾里光束和涡旋光束的特性，而由RAiGV光束合成的矢量光束(简称矢量光束)又同时兼具矢量光束的特性。 本文利用功率谱反演法结合非均匀采样法进行低频补偿，构造与湍流尺度相关的各向异性非Kolmogorov大气湍流指数谱模型的随机相位屏，并采用多层相位屏法数值模拟研究大气湍流中的光传输效应，进而利用空间光调制器进行光学模拟实验。数值模拟和光学实验结果同时证明RAiGV光束的漂移值受大气湍流外尺度、各向异性系数、功率谱幂律以及光束的拓扑荷值、指数截断因子、艾里环主半径等参数的影响。湍流外尺度越大，各向异性系数越小，大气湍流的随机起伏对RAiGV光束的影响越严重，并且功率谱幂律取值不同，大气湍流对RAiGV光束漂移值的影响也不相同，研究发现，漂移值的极大值点出现在幂律值为3.3附近，也就是说幂律值为3.3的大气湍流对RAiGV光束的影响最严重:拓扑荷值越大的RAiGV光束，在大气湍流中传输时稳定性越高，抗干扰能力越强，而指数截断因子以及艾里环主半径越大，光束的漂移值就越大，受湍流影响的程度越高:同时RAiGV光束的漂移值随着传输距离的增大而增大。通过对比分析RAiGV光束经过大气湍流前后的干涉条纹图样，发现整数阶RAiGV光束的拓扑荷值越小，受湍流影响后轨道角动量态的稳定性越好。研究还发现，相同条件下，矢量光束在大气湍流中的漂移值小于RAiGV光束，具有更强的抗干扰能力。

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摘要

图表目录

1绪论

1．1研究背景

1．2国内外研究成果

1．2．1新型光束的建立和研究进展

1．2．2新型光束在大气湍流中传输的最新研究进展

1．3研究内容和方法

2圆艾里高斯涡旋光束在大气湍流中传输的基本理论

2．1大气湍流基本理论

2．1．1大气湍流的概念

2．1．2大气湍流折射率功率谱模型

2．1．3大气湍流功率谱模型的发展

2．1．4与尺度相关的各向异性湍流模型

2．2大气湍流对光束传输的影响

2．2．1光束漂移

2．2．2大气湍流对涡旋光束拓扑荷值的影响

2．3圆艾里高斯涡旋光束

2．3．1艾里光束

2．3．2涡旋光束

2．3．3圆艾里高斯涡旋光束

2．4矢量光束

2．4．1左旋和右旋偏振圆艾里高斯涡旋光束合成矢量光束

2．5本章小结

3数值模拟研究与分析

3．1非均匀采样功率谱反演法构造湍流随机相位屏

3．1．1功率谱反演法

3．1．2非均匀采样法

3．2多层相位屏法数值模拟

3．2．1多层相位屏法

3．3两种湍流随机相位屏模型

3．4数值模拟研究圆艾里高斯涡旋光束在大气湍流中的传输特性

3．4．1圆艾里高斯涡旋光束的光强分布

3．4．2圆艾里高斯涡旋光束的漂移特性

3．4．3圆艾里高斯涡旋光束拓扑荷值的变化情况

3．5数值模拟研究矢量光束在大气湍流中的传输特性

3．5．1圆艾里高斯涡旋光束合成的矢量光束的光强分布

3．5．2圆艾里高斯涡旋光束合成的矢量光束的相位分布

3．5．3两种光束漂移特性对比

3．6本章小结

4实验模拟研究与分析

4．1空间光调制器

4．1．1液晶空间光调制器的原理

4．1．2液晶空间光调制器的应用

4．2实验模拟研究圆艾里高斯涡旋光束在大气湍流中的传输特性

4．2．1实验装置

4．2．2实验用相位信息图的转化

4．2．3实验模拟研究圆艾里高斯涡旋光束在大气湍流中的漂移特性

4．2．4干涉法测量圆艾里高斯涡旋光束通过大气湍流前后的拓扑荷值

4．2．5误差分析

4．3本章小结

5总结与展望

致谢

参考文献

附录