空间相干结构光场产生、传输及应用研究进展

空间相干性是光场除了振幅、相位和偏振以外的一个固有属性,它在理解光的干涉、传输、光与物质相互作用等方面起着重要作用.近年来,对空间相干性的研究已经逐渐拓展至对空间相干结构的构建及特性研究,这是因为具有特定空间相干结构分布的光场展现出了新奇的物理效应,如自聚焦、自分裂、自偏移和自整形传输特性等.这些新奇物理效应的许多潜在应用也逐渐被发现,包括在自由空间光通信中降低大气湍流的负面效应、基于空间相干结构的光学加密和鲁棒光信息传输、光学微粒俘获及操纵等.本综述系统地回顾空间相干结构光场的表征方法、理论构建和实验产生方法、在自由空间和湍流介质中的传输特性和相关应用.首先,利用非负正定条件和相干模式分解理论来表示空间相干结构光场的交叉谱密度函数;然后,讨论理论和实验上构建及产生空间相干结构光场的2种不同策略,一种是基于广义范西特-泽尼克定理,另一种是基于相干模分解理论;接下来,概述特定空间相干结构光束在自由空间和湍流大气中的新颖物理特性;最后,介绍空间相干结构光场在降低大气湍流负面效应、光学加密、复杂介质中的鲁棒光信息传输和光学微粒俘获和操纵等方面的应用.光学空间相干结构不仅为光操控提供了新的自由度,产生的空间相干结构光场在诸多领域也展现出了重要应用价值.

大气湍流对空间相干光通信的相干探测性能影响

空间相干光通信被认为是突破现有高速空间通信瓶颈的重要手段,但其应用受到大气湍流的极大限制.为此,本文首先基于Huygens-Fresnel原理和低频补偿功率谱反演法,研究了高斯光束经大气湍流传输后振幅和相位的随机分布特性;然后,利用相干混频效率及通信误码率模型,获得大气湍流对空间相干光通信系统性能的影响规律;最后,搭建激光外差探测实验系统,定量研究了大气湍流对空间相干光通信相干探测性能的影响.结果表明:弱湍流条件下,空间相干光通信性能几乎不受大气湍流的影响;中等强度湍流影响下,相干混频效率会随着湍流强度的增大而迅速下降,但通过提高单比特光子数可以有效抑制湍流对通信性能的负面影响;强湍流会显著破坏光束相干性,使得相干混频效率趋近于零,即使提高单比特光子数也无法有效改善通信性能.大气湍流是空间相干光通信发展的重要限制因素,该研究可为空间相干光通信系统性能评估提供有益参考.

利用迈克耳孙干涉仪研究光的时间和空间相干性

采用迈克耳孙干涉光路,搭配光电探测器和光纤光谱仪,分别测量时域和光谱信号.在光谱信号的辅助下,调节干涉光路准直和两臂光程差,快速定位白光干涉等光程点.利用压电位移台带动扫描镜在等光程点附近进行光学延迟扫描,测量时域干涉波形,实现对光源相干长度的测量.LED白光光源搭配带通滤光片,实现不同谱宽光源相干长度的测量对比.利用小孔光阑限制扩展光源的发光尺度,分析干涉条纹对比度,实现空间相干性的演示和测量.

部分相干平顶光束空间相干度的传输方程及特性

根据惠更斯-菲涅耳原理,导出了部分相干平顶光束在自由空间中光束空间相干度的传输方程,并通过数值计算研究了光束空间相干度的传输特性.研究表明,部分相干平顶光束空间相干度会出现振荡和相位奇异现象;随光束相关长度和光束阶数的减小,光束空间相干度的振荡减弱,相位奇异点减少;随光束传输距离的增大,光束空间相干度的振荡增强,相位奇异点增多,且宽度增大,即光束的空间相干性变好;光束空间相干度宽度与光强宽度的关系与光束阶数和光束传输距离无关,仅与光束相关长度有关.

空间相干性的演示

当光源的空间相干度下降时，非定域干涉条纹随之变化为定域条纹．本文用Ｈｅ－Ｎｅ激光器、透镜和毛玻璃屏组成一个时间相干性极好而空间相干性连续可调的光源，在迈克尔逊干涉仪上形成干涉条纹，对该干涉条纹进行观察，以便了解光源的空间相干性．

大气湍流下带有跟踪误差的空间相干光通信性能分析

在星地链路的空间相干光通信系统中,大气湍流、跟踪误差会影响系统的混频效率和误码率.根据混频效率公式分别推导了大气湍流强度和跟踪误差与系统混频效率的关系并进行仿真计算.计算结果表明,混频效率随跟踪误差和大气湍流强度的增加而降低,其中当跟踪误差大于12μrad或湍流强度超过10-16时,混频效率趋近零.建立了大气湍流下带跟踪误差的光混频效率及误码率的数学模型,并计算了不同情况下的混频效率.在跟踪误差小于2μrad时大气湍流是混频效率的主要影响因素,当跟踪误差继续增大时跟踪误差起主导作用.根据传统相干光通信系统参量取值估算得最大混频效率约为67.8%,当误码率为10-9时系统接收灵敏度为17photon/bit.

空间相干光通信中本振光功率对信噪比的影响

为研究空间相干光通信的信噪比受本振光功率、探测器特性和光波偏振态的影响,对探测器在不同工作状态下以及光波偏振态变化时的信噪比进行了研究,讨论了在不同工作状态下探测器特性参数和本振光功率对信噪比的影响,并通过实验验证了本振光功率和光波偏振态对信噪比的影响。结果证明空间相干光通信中探测器特性参数限制了本振光功率的取值,实际最大信噪比小于理论值,最佳本振光功率大于理论值,且两光束的偏振方向越接近,输出信噪比越大,最佳本振光功率越小。

竖向地震动场的空间相干函数模型

根据台湾SMART 1台阵采集的六次重大地震的加速度数据记录,利用数字信号处理技术,对竖向地震动场的空间相干函数进行分析。按照各测点对在波传播方向上的投影距离进行分组,研究了竖向地震动场空间相干函数与它们的空间距离(投影距离)、频率的关系,发现它们随两点的距离增大而减小,且与这两点在地震波的传播方向上的投影距离有较大的关系,不具有“各向同性”的性质;它们均随频率的增大而减小。在总结前人研究成果的基础上,采用Hao提出的相干函数模型来描述竖向地震动场空间相干函数。根据实测地震数据,分别对相干函数理论表达式中的一些参数进行了拟合。结果表明,该模型具有较强的合理性和实用性。

激光器线宽对空间相干光通信系统性能的影响

空间相干光通信系统的信噪比受激光器线宽的影响很大。对比分析了两光束到达平衡探测器光敏面的时间差τ_d和探测器特性参数不同时,激光器线宽对外差探测输出信噪比的影响。理论分析和实验结果表明,激光器线宽展宽引起差频信号带宽增大与τ_d无关。当差频信号带宽增大2.673倍时,输出信噪比减小0.369 2倍,约等于1/2.673。增大探测器的内增益、响应度和响应带宽,可以减缓信噪比随激光器线宽增大而减小的速度,但内增益和响应带宽过大,相应的噪声信号也越强,反而不利于信噪比的提高。

激光空间相干性对照明均匀性的影响

研究了激光相干性对照明均匀性的影响 ,为照明激光器的选择提供了理论参考。其中 ,部分相干高斯光束分解为模式间相互独立的厄米 -高斯光束的迭加。采用相位屏的近似处理方法对激光通过大气湍流的传输进行计算模拟。数值模拟的结果表明 :当照明光束的空间相干性降低时 ,其照明均匀度逐步提高。因此对于照明激光器而言 。

激光光腔内光场空间相干性的演化

基于激光谐振腔的理想开腔模型及其在空间频率域的相干模式理论 ,通过数值模拟分析了光腔内光场空间相干性的演化规律 以强度均匀的非相干光束为例 ,考虑了一系列硬边光阑的衍射效应对腔内光场相干性演化的影响 ,再现了腔内光场空间相干性的演化过程 数值计算结果表明 :空间相干性随光场在腔内振荡次数的增加逐渐趋于完全相干 ,但对不同的光腔参量 (如腔镜结构和腔镜面度 ) 。

空间相干源信号频率和波达方向的同时估计方法

本文针对宽频段窄带相干信号源，充分利用多重信号分类和旋转不变两大技术，结合一定的 时域信息，提出了一种高精度的信号频率和波达方向同时估计方法.该方法通过构造平滑波 达方向矩阵进行参数估计，无需搜索过程和配对处理.计算机仿真验证了本文所提出方法的 有效性.

大气湍流引起激光外差探测空间相干性退化研究

文章简要介绍了随机大气湍流效应及其对1.55μm激光外差探测系统的影响,并在理论分析的基础上设计了实验研究方案。通过测试外差探测效率与信噪比随大气湍流强度而变的实验,着重研究大气湍流效应引起空间相干性的退化。

大功率VCSEL三角列阵的空间相干性

由厄米-高斯光束理论和空间相干性定理出发,研究了大功率垂直腔面发射激光器(VCSEL)三角形列阵器件的光束质量和空间相干特性。采用二阶距法和空间相干度积分法得到980 nm波段VCSEL三角列阵器件的远场发散角和空间相干度,并讨论了列阵器件单元间距对其远场特性和空间相干特性的影响。实验结果表明:当三角列阵单元孔径为150μm时,随着列阵单元间距由200μm增大到300μm,列阵器件的远场发散角由9.5°增加到12.5°,而其空间相干度由0.719减小到0.526。在相同注入电流条件下,3种列阵器件的出光功率基本相同。

激光空间相干性对照明均匀性影响的实验研究

对激光束空间相干性对照明均匀性的影响进行了实验研究。实验结果表明 ,激光束的空间相干性与照明均匀性具有密切的关系 ,当激光束空间相干性降低时 ,目标上照明光斑的闪烁率和功率谱密度也下降 ,激光照明的均匀性得到提高。所得结果对实际工作中照明激光器的选择是有用的。

高斯-谢尔模型阵列光束在湍流大气中的空间相干性

基于广义Huygens-Fresnel原理和Rytov相位结构函数二次近似的方法,推导出了径向分布高斯-谢尔模(GSM)阵列光束在湍流大气中传输时的交叉谱密度函数解析表达式,并利用表征光束相干性的空间复相干度系数,详细分析了GSM阵列光束在大气湍流中传输时的空间相干性变化规律。研究结果表明:径向分布GSM阵列光束的空间相干性由子光束空间相干长度、传输距离、大气折射率结构常数及相对径向填充因子等因素共同确定;径向分布GSM阵列光束通过湍流大气时,其空间相干度在传输过程中会出现多峰值现象,但是随着传输距离增大,多峰值现象逐渐消失并趋向于高斯分布,并且随着距离增大空间相干度宽度逐渐减小,光束空间相干性变差。

光场的时间相干性和空间相干性分析

研究了光场的时间相干性和空间相干性 ,指出了光源的谱线宽度与光场的时间相干性的关系 ,讨论了光源线度对光场相干性的影响 .

空间相干光通信中基于DSP的多普勒频移补偿技术

目前通常采用光锁相环(optical phase-locked loop,OPLL)完成空间相干光通信中的相位同步。针对光锁相环性能受空间通信终端间多普勒频移影响的不足,采用基于数字信号处理(digital singnal procesor,DSP)的开环方法补偿多普勒频移,并将开环补偿方法应用于一种递推解调系统中,根据前一时刻的数据信息进行后一时刻的数据解调。仿真结果表明:采用基于DSP的开环补偿方法可以补偿多普勒频移,使空间相干光通信系统不使用光锁相环,且性能接近多普勒频移被完全补偿的理想状态。

随机风场空间相干性研究

提出了一种描述随机风场空间相干特性的相位差谱模型,可用于大范围随机风场模拟.经典理论中一般采用相干函数来描述空间风场相干特性.研究发现,相干函数只是二阶数值特征,远不能描述两点脉动风速相干特性的丰富概率信息.研究表明,Fourier相位差谱可以对脉动风速时程的相干特性进行全面的描述.基于对影响相位差主要因素的分析,提出了相位差谱的基本模型.通过与实测相位差谱的比较,验证了所提模型的合理性与适用性.应用该模型进行了风场模拟,效果良好.

光束的空间相干性与空间质量评价

光束空间质量评价的标准应该能够反映光束的空间相干性和强度（功率或能量）分布，并主要由空间相干性的优劣来说明本文对模式纯度（１－δ）以及空间质量评价因子－衍射极限倍数因子Ｍ２做了讨论。