新型反常涡旋光束在湍流大气中的传输特性研究

摘要

与普通高斯光束相比，涡旋光束具有很多特点，如光束中心光强为零、自身带有轨道角动量等。这种特点就使得涡旋光束在很多领域都拥有较高的应用价值，例如，光学捕获、光学旋转、非线性光学、生物医学、自由空间通信等。 由于激光具有高强度、相干度和方向性等，当其应用在自由空间光通信技术时，具有容量大、体积质量小、抗电磁干扰性强等特点。在国防军事方面，需要拥有更高空间分辨率，时间分辨率，光谱分辨率等的航空航天侦查平台，未来的局部战争也需要具有更高抗电子干扰能力，通信能力，安全保密能力等的激光武器。这些系统都在大气信道中进行传输，其中面临的最大问题则是大气作用，为了提高系统的性能，必须要对激光大气传输进行深入的研究分析。则本文旨在研究反常涡旋光束在非柯尔莫戈洛夫大气湍流中的传输特性，主要内容如下： 1. 介绍了本文的研究动机和意义，并对光学涡旋的国内外研究发展概况以及光束在湍流大气中传输的国内外研究发展概况进行了总结分析。 2. 简要介绍了激光传输的基本理论和方法，归纳总结了几种常见的大气湍流功率谱模型和大气湍流的折射率结构常数模型，并介绍了光束质量的一些评价参数，包括光束传输因子，光束角扩展，斯特列尔比等。 3. 研究了新型反常涡旋光束在非柯尔莫哥洛夫大气湍流中的传输模型。首先对应用的基础理论和湍流模型进行理论介绍，并基于广义惠更斯-菲涅尔原理，结合非柯尔莫哥洛夫大气湍流的功率谱密度，推导出相关的交叉谱密度矩阵。随后应用相干与偏振统一理论，进一步研究了反常涡旋光束通过非柯尔莫哥洛夫大气湍流的光强分布、偏振度特性以及光谱相干度。进行数值模拟，探究不同的光束参数和湍流参数对光束光强、偏振度和相干度的影响。 4. 研究了新型反常涡旋光束通过非柯尔莫哥洛夫大气湍流后的光束质量。利用广义惠更斯－菲涅耳原理和维格纳的二阶矩定义，并结合非柯尔莫哥洛夫大气湍流的功率谱，对新型反常涡旋光束通过非柯尔莫哥洛夫大气湍流后的光束传输因子、方均根束宽、角扩展进行了理论推导。通过控制变量，进行数值模拟，分别探究光束传输因子、方均根束宽、角扩展在不同传输距离的情况下，随湍流指数项的变化情况，以及在不同光束参数项、不同湍流参数项下，随传输距离的变化情况，分析不同因素对光束质量的影响。

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第一章绪论

1.1研究背景与研究意义

涡旋光束就是具有连续螺旋状相位的光束，光束的波阵面类似于旋涡，具有奇异性。涡旋光束中心光强为零，在进

1.2国内外研究现状及发展态势

1.2.1 涡旋光的研究发展概况

1.2.2 光束在湍流大气中传输的研究发展概况

1.3主要内容及结构安排

第二章基础理论介绍

2.1激光传输的基本理论和方法

2.1.1基尔霍夫衍射理论

2.1.2矩阵光学方法

2.2激光在大气湍流中传输的基本理论

2.2.1大气湍流折射率结构常数

2.2.2大气湍流折射率起伏的功率谱模型

2.3光束质量评价参数

2.3.1聚焦光斑尺寸和远场发散角

2.3.2斯特列尔比和陡峭度参数

2.3.3桶中功率

2.3.4光束传输因子

2.4涡旋光束的基本理论

2.5本章小结

第三章反常涡旋光束经过非K湍流的平均光强

3.1推导过程理论介绍

3.1.1广义惠更斯-菲涅尔公式

3.1.2交叉谱密度矩阵

3.2反常涡旋光束经过非K湍流的交叉谱密度矩阵模型推导

3.3反常涡旋光束经过非K湍流的光强仿真结果与讨论

3.3.1不同传输距离下的光强变化情况

3.3.2不同拓扑荷数和阶数下的光强变化情况

3.3.3不同初始相干长度下的光强变化情况

3.3.4不同湍流折射率结构常数下的光强变化情况

3.4本章小结

第四章反常涡旋光束经过非K湍流的偏振度和光谱相干度

4.1理论推导过程分析

4.2反常涡旋光束经过非K湍流的偏振度和相干度模型推导

4.3仿真结果与讨论

4.3.1反常涡旋光束经过非K湍流的偏振度特性

4.3.2反常涡旋光束经过非K湍流的光谱相干度特性

4.4本章小结

第五章反常涡旋光束经过非K湍流的光束质量

5.1推导过程理论介绍

5.1.1维格纳分布函数

5.1.2光束质量理论

5.2反常涡旋光束经过非K湍流的传输质量模型推导

5.3仿真结果与讨论

5.3.2反常涡旋光束的角拓展变化情况

5.3.3反常涡旋光束的均方根束宽变化情况

5.4本章小结

第六章总结及展望

6.1全文总结

6.2工作展望

致谢

参考文献