斜程大气传输激光束的平均光强与短期光束扩展

基于广义惠更斯-菲涅耳原理、修正von Karman湍谱、贝塞耳权重函数的高斯函数近似和误差小于4%的波结构函数平方近似,研究得出了包含湍流尺度影响的湍流大气中传输高斯光束的平均光强新关系和包含湍流外尺度影响的光束短期扩展因子。研究了高斯光束等效半径与传输距离、初始光束束径和光波波长间的关系,结果表明,在给定折射率结构参量和传输距离情况下,存在极小短期光束扩展对应的特征初始束径和特征光波波长。

部分相干光在大气湍流中的光束扩展及角扩展

基于广义惠更斯-菲涅耳原理、交叉谱密度函数,利用修正Von Karmon谱模型以及ITU-R颁布的大气折射率结构常数模型,推导出部分相干高斯-谢尔光束在大气湍流中传输时的束宽及角扩展表达式,讨论并对比斜程和水平两种传输方式下天顶角、传输距离、湍流强度、相干长度等参数对光束束宽与角扩展的影响,同时分别从相对束宽和相对角扩展的角度分析各种参数对于光束抑制湍流能力的影响,并给予相应的物理解释。结果表明:当天顶角小于π/3时,光束在斜程传输时的光束扩展和角扩展量接近于垂直传输,所受湍流影响很小。传输距离大于1 km时,束宽和相对束宽随传输距离的增加而明显增加。光束相干长度越大,光束所受湍流影响越大,而束宽及角扩展会随之减小。

远场光束扩展对光斑瞄准偏差影响的实验

在远场大气环境下的激光瞄准过程中，大气湍流效应会造成光束的漂移和扩展，从而影响激光器的瞄准精度。本文基于修正的Von Karman湍流谱和部分相干光在湍流大气中的传输理论，设计了高斯光波经过大气湍流后的光场模拟软件，并在一定气象条件下，通过一种激光光轴瞄准偏差测试系统进行外场实验。该测试系统光束直径≤9mm，接收部分为120mm大口径光学镜头。研究了3km范围内强湍流条件下光束的传输特性；结合实验数据，分析了在湍流大气中远场光传播时波束扩展对激光瞄准精度的影响。基于文中研究结果设计的瞄准偏差补偿方案可提高系统在大气能见度10km范围内的瞄准精度。在激光传输距离〈3km，斜程仰角为0～45°时，激光光斑偏移计算误差≤0．1mrad。

远场激光瞄准过程中光束扩展的影响分析

基于修正的Von Karman湍流谱和Hufnagel-Vally湍流模型上的近似积分理论,结合一种激光光轴瞄准偏差测试系统,利用激光光斑远场实验数据,在一定气象条件下,研究了不同传输距离和波束扩展的变化关系,进而分析了高斯脉冲光束在湍流大气中远场传播时的波束扩展对激光瞄准精度的影响。该研究可为激光光斑瞄准偏差补偿方案的优化设计提供科学依据。

聚焦平台光束大气传输光束扩展的定标参数分析

建议采用63．2％环围能量半径及其内平均功率密度描述激光器大气传输光斑扩展特性。通过利用数值模拟及实验观测相结合的方法,对聚焦平台光束大气传输线性效应及湍流热晕相互作用引起的光束扩展进行了大量的数值模拟及部分实验研究,建立了描述聚焦平台光束大气传输光束扩展与大气传输特征物理参量的定标关系,从而为激光工程应用的可行性及系统参量的优化设计提供依据。

部分相干艾里光在大气湍流中的光束扩展与漂移

基于Andrews和Philips的经典漂移方差模型,结合部分相干艾里光的交叉谱密度函数和Tatarskii功率谱,推导出部分相干艾里光在大气中传输时的光束扩展和漂移解析式,对比分析了不同的衰减因子、湍流强度和相干度等参数对部分相干艾里光的光束扩展和漂移的影响,并与高斯光束所得结果进行了比较.研究表明:衰减因子、湍流强度和相干度等对光束漂移影响较大,当它们的取值增大时,漂移越严重;内尺度对光束漂移几乎没有影响;在相同的条件下,艾里光束的光束漂移要比高斯光束小两个数量级,且其本身具有自恢复特性和较强的抑制湍流特性.

用非相干叠加法研究部分相干光在湍流大气中的光束扩展

以高斯谢尔模型(GSM)光束作为部分相干光的典型例子,研究了部分相干光在湍流大气中的光束扩展.基于广义的惠更斯-菲涅耳原理,采用将GSM光束用高阶厄米-高斯光束的非相干叠加的方法得到了GSM光束在湍流大气中的均方根束宽表达式.研究表明,光束的扩展随着湍流大气的折射率结构常数C2n的增大而加剧,并且有较小相干长度σμ的GSM光束受湍流大气的影响比有较大σμ的GSM光束小.

不同发射系统遮拦比光束扩展实验数值分析

在不同发射系统遮拦比的条件下,对聚焦光束湍流大气水平传输的光束扩展进行了实验测量,并与数值结果作了对比分析,得到了适于实际工程应用的聚焦光束不同遮拦比条件下的光束扩展与湍流效应特征参量的定标关系。

光束扩展、光船倾斜和漂移对光船自由飞行演示的影响

为了研究光船的地面演示自由飞行试验中激光束扩展、光船相对激光束的倾斜和漂移等因素对光船飞行高度的影响,采用了理论分析和数值模拟相结合的方法。分析表明,激光束的扩展将导致光船接收激光功率的减小,光船相对于光束的倾斜会影响激光的聚焦和光船推力方向,但光船的倾斜力矩不会在飞行过程中累积而使光船倾斜过大,而光船的漂移则会改变光船推力以及侧力的大小。光船飞行数值模拟仿真表明,在横向偏移扰动下,光船在没有达到最大可能高度之前将脱离光束从而失去动力。研究结果显示,减小光船的横向偏移和激光束的发散角可以有效提高光船垂直上升的高度。

激光水下目标探测中的光束扩展

对激光水下目标探测中海水对光束的空间和角度扩散进行了深入研究。模拟得到的水下光斑半径的分布曲线与国外的研究结果相吻合。通过模拟给出了水面光斑半径的分布曲线和水面光斑内目标反射光子出射角度的分布曲线。对海面上的海浪和泡沫对光束扩散的影响进行了模拟研究，证明了此影响在风速小于１４ｍ／ｓ时可以忽略。

光束扩展理论应用于LED投影显示系统

微显示投影技术已开始向小型化发展,研发出集成机和袖珍机,体积小重量轻,便于携带,这都是LED小型光源促进的结果。LED照明系统重点是光能的充分利用,光束扩展理论(Etendue)是有力的设计工具,本文阐述了光束扩展的基本概念及其计算。

海洋湍流中光波特征参量和短期光束扩展的研究

Nikishov等建立的海洋湍流功率谱模型中,假设了海水有着稳定的分层.但是,实际海水通常不是稳定分层的,温度与盐度的涡流扩散率是不相等的. 2017年, Elamassie等建立了考虑这些因素的更合理的海洋湍流功率谱模型.湍流介质中光波空间相干长度等基本特征参量在表征湍流强度和光传输相位校正技术等方面起着重要作用.本文基于Elamassie海洋湍流功率谱模型,重新推导出了海洋湍流中光波结构函数、光波空间相干长度和Fried参数的解析公式,并校验了所得公式的正确性.研究发现:当温度变化引起的光学湍流占主导地位时, Nikishov海洋湍流功率谱模型把湍流强度低估了;当盐度变化引起的光学湍流占主导地位时,Nikishov海洋湍流功率谱模型把湍流强度高估了.基于Elamassie海洋湍流功率谱模型,本文推导出了高斯光束短期光束扩展的半解析公式,并验证了其正确性.研究还表明:海水稳定分层与否,短期光束扩展差异很大.本文研究结果对水下湍流环境中的光通信、成像和传感等应用具有重要意义.

大气激光传输光束扩展的研究

由Rytov近似方法由平均强度导出了适用于弱湍流中的长期波束扩展,并和Fante所给的扩展进行数值对比,具有较好的一致性。分析了影响光束扩展效应的各种因素,结果表明:长期光束扩展与湍流强度、光束束腰半径、光束波长有一定的关系。

综合斜程传输和光束扩展影响下的大气湍流相位屏组设计

设计了综合斜程传输和光束扩展影响下的相位屏组来模拟光束经大气层斜程传输后产生的波前畸变,先利用功率谱反演法和次谐波补偿法生成垂直传输路径的相位屏,再结合斜程大气传输理论对相位屏进行斜程修正,得到适用于模拟斜程大气湍流影响的相位屏。通过数值分析对比了斜程相位屏与垂直路径相位屏相位结构函数的差别。结合光束扩展情况计算每个高度区间对应的波前畸变空间分布,建立了相位屏组模型,最后得到接收光波面各位置的相位分布。

一种主动共存的增强型光束扩展器

提出了一种主动共存的增强型光束扩展器——ACEX-RE。该ACEX-RE由集成的一对混合光放大器(EDFA和SOA)和共存元件(CEX)模块组成,该模块与OLT系统一起安装在中央交换机(CO)上,分别作为下行和上行光信号的增强器和前置放大器。在下行波长和上行波长分别为1577和1270nm的情况下,对GPON和TWDM-PON共存的XGS-PON系统进行性能测试。结果表明,提出的ACEX-RE能够支持多速率XGS-PON的最大运行距离为35km,分束比为1∶128,链路损耗为44dB。

部分相干双曲余弦高斯光束通过湍流大气的光束扩展

基于广义惠更斯-菲涅尔原理,并采用将部分相干双曲余弦高斯光束用厄米-高斯光束的非相干叠加表示的方法,研究了部分相干双曲余弦高斯光束通过湍流大气的光束扩展问题,推导出了部分相干双曲余弦高斯光束通过湍流大气均方根束宽的解析表达式.研究表明,部分相干双曲余弦高斯光束的扩展随着湍流大气的折射率结构常数C2n和光束离心参数δ的增大而加剧.但是,随着δ的增大,部分相干双曲余弦高斯光束受到湍流的影响减小.

激光引信在降雨中的光束扩展特性

激光引信在降雨中工作时会受到雨滴的散射和衰减效应,使光束质量变差,回波能量减小,从而影响探测系统的性能。以蒙特-卡罗方法为基础,给出了激光在降雨中的传输模型,分析不同模拟条件下光束的扩展特性,并进行实验测试。由仿真分析可知,雨滴对光束的散射作用导致光斑扩散,从而光束能量密度减小,并且随着降雨强度、传输距离和光束发散角的增大,光子散射次数增多,光斑直径扩大,到达接收面的光子减少,光束能量衰减。实验测试结果与仿真计算基本一致,最大误差不超过4%,很好地验证了模型的准确性。

涡旋光束在湍流大气中的光束扩展

涡旋光束在湍流大气中传输时,其振幅和相位会发生随机起伏,导致在接收平面处的光强起伏及光束扩展等。以低阶拉盖尔-高斯涡旋光束为例,利用激光大气传输四维程序数值模拟了不同条件下的涡旋光束在湍流大气中传输时引起的光束扩展。由模拟结果可知,传输距离越长或湍流越强,涡旋光束在大气中传输时的束宽扩展受湍流的影响越大;涡旋光束的拓扑荷数越高、光束的束腰越小或光波的波长越长,其束宽扩展受大气湍流的影响越小。湍流的内尺度和外尺度也会影响涡旋光束的光束扩展,但影响程度相对较小。另外,通过计算仿真还比较了涡旋光束和普通高斯光束在湍流大气中传输时引起的光束扩展的差异。

跟踪抖动对激光湍流大气传输光束扩展的影响

对发射系统的跟踪抖动对激光湍流大气传输光束扩展的影响进行了数值分析,并且得到了跟踪抖动对光束扩展影响的定标关系。由此定标关系可知,当系统衍射角σ0 较大时,跟踪抖动对光束扩展的影响比较小;但是当系统衍射角σ0 较小时,特别是在湍流效应较弱的情况下,抖动的影响非常显著,此时光束扩展主要是由系统抖动项所决定的。通常在湍流效应较弱时,系统跟踪抖动对光束扩展的影响相对较大,随湍流效应的不断增强,湍流扩展逐渐起主导作用,而系统跟踪抖动对光束扩展的影响相对逐渐减小。因此,由此定标关系可以定量了解不同条件下系统衍射、系统跟踪抖动以及湍流效应对光束扩展影响的大小,并为系统优化设计提供定量的科学依据。

聚焦光束大气传输光束扩展定标规律的数值分析

选取多种典型激光传输条件下的计算参量,对平台光束聚焦大气传输湍流热晕相互作用引起的光束扩展进行了数值分析.热畸变的产生是在快速变化的湍流扩束作用之后,在此假定的基础上,建立了描述聚焦光束大气传输光束扩展与大气传输特征物理参量的定标关系.在了解激光发射系统的特征参量和大气传输效应的特征参量之后,即可由定标关系迅速判断激光大气传输的效果,从而为激光工程系统的参量优化设计及其应用效能评估提供依据.