随机相位阵列光束在湍流大气中的传输特性

摘要

随着激光雷达、大气光通信等技术的发展，激光束在湍流大气中的传输特性研究受到广泛关注，尤其最近几年，由单光束相干合成的阵列光束因其在湍流大气中跟踪、遥感以及远距离光通信的应用价值而备受重视。目前，阵列光束传输特性的理论研究工作大多集中在假设各个光束的初始相位相同，而在实际工作中，各个子光束之间的随机相位差直接影响光束合成效果，即对光束的强度分布以及光束质量产生的影响。所以与追求相位相同而获得高功率激光不同，对各个支路加入主动的随机相位调制的光纤阵列合成，可以产生空间相干性可控的部分相干光，其在大气传输中具有抑制湍流影响的特性。因此研究随机相位阵列光束在湍流大气中的传输特性具有重要的理论意义和实际应用价值。
　　为了克服Kolmogorov湍流谱和Tatarskii湍流谱在原点有不可积的极点这一缺点，本文研究湍流大气对光束传输的影响时主要采用von Karman谱模型。首先通过数值模拟von Karman谱下的湍流大气相位起伏，采用多层相位屏的方法，对大气中不同排布方式的高斯型阵列光束的远场光斑进行了数值模拟，并进行了统计分析。用数值模拟方法依次研究了高斯型阵列光束在湍流大气中的强度分布、光束漂移和光强闪烁特性。计算模型和结果为工程中实际应用提供了参考。
　　论文介绍了随机相位光纤阵列产生部分相干光的原理。设计了一套望远镜准直扩束系统，对产生的部分相干光进行准直扩束，推导了光纤阵列光束通过 ABCD系统传输的光强分布，并将准直前后进行比较，得到理想的效果。实际大气密度随距地面高度不同而变化，不同高度下大气湍流强度不同，地空路径下部分相干光在大气湍流中传输特性研究需考虑光束斜程路径影响。本论文根据广义惠更斯-菲涅尔原理，理论上研究了具有随机相位的激光束阵列在湍流大气中的斜程传输特性。对随机相位阵列光束的光束扩展的进行了研究，光束束宽在斜程传输路径上不仅与束腰半径、湍流强度和传输距离有关，还与天顶角密切相关。最后对径向分布随机相位阵列光束的闪烁指数进行了推导，分析讨论了阵列光束的径向半径，光束个数对轴上和离轴闪烁指数的影响。

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第一章 绪论

1.1研究目的及意义

1.2国内外研究现状

1.3论文主要工作

第二章 湍流大气中激光波束传输理论概述

2.1大气湍流概述

2.2广义惠更斯-费涅尔原理

2.3光束传输特性的评价参数

2.4激光光束合成

2.5矩阵光学

2.6小结

第三章 高斯型阵列光束在湍流大气中传输特性的数值模拟

3.1光束在湍流大气中的传播过程的数值模拟

3.2高斯光束在湍流大气中光强分布的数值模拟

3.3阵列光束在湍流大气中强度分布的数值模拟

3.4径向分布阵列光束在湍流大气中传输特性的数值模拟

3.5本章小结

第四章 随机相位阵列光束产生部分相干光

4.1部分相干光基本理论

4.2基于相位调制的光纤阵列产生部分相干光

4.3光纤阵列通过ABCD光学系统的准直扩束

4.4本章小结

第五章 随机相位阵列光束在湍流大气中传输特性

5.1随机相位阵列光束在湍流大气中传输的光强分布

5.2随机相位阵列光束在湍流大气中传输的光束扩展

5.3随机相位阵列光束在湍流大气中传输的光强起伏

5.4本章小结

第六章 总结和展望

6.1主要研究内容和结论

6.2进一步研究方向与方法

参考文献

致谢

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