部分相干光在大气湍流中传输特性的研究进展

光波在大气中传播时,由于大气折射率的变化,导致光强闪烁、光束扩展和光斑漂移等湍流效应,严重影响激光通信、跟踪和成像系统的性能。部分相干光受湍流影响更小,因此其传输特性成为近年来的研究热点。本文总结了国内外部分相干光在大气湍流中的传输特性研究进展,同时介绍了西安理工大学在该领域的研究工作,主要包括光强分布、光束扩展、光束漂移、光强闪烁、到达角起伏和偏振以及散斑特性等,最后对该领域的发展方向进行了展望。

考虑APD的部分相干光OFDM-UWOC系统性能

对于实际的水下无线光通信系统,系统误码性能主要受到海洋湍流和接收机噪声的制约。考虑散粒噪声和热噪声的影响,对弱海洋湍流环境下基于雪崩光电二极管的部分相干光辅助OFDM-UWOC系统的误码性能进行了分析。研究中利用波束扩展函数建立了吸收、散射、未对准和海洋湍流共同影响下的聚合信道衰落模型,进而分别导出不同噪声限制下的系统平均误码率理论表达式。受散粒噪声限制时,研究了接收机噪声温度、平均接收光强及雪崩光电二极管雪崩增益值的大小对系统可靠性的影响;受热噪声限制时,给出了部分相干光特征参数和海洋湍流特性参数对该系统可靠性的影响。结果表明,对于雪崩光电二极管而言,接收机温度和平均接收光强大小都会在一定程度上影响系统误码性能。因此,通过选择合适的雪崩光电二极管雪崩增益值,能够在一定程度上提升该OFDM-UWOC系统的误码性能。此外,部分相干光和海洋湍流的变化会对系统的误码性能产生影响。

部分相干光束旋转多普勒效应的理论研究

由于部分相干光较相干光更易获得,且在遥感探测中受大气湍流的影响更小,因此部分相干光的旋转多普勒效应研究更具应用价值.为了丰富部分相干光旋转多普勒效应的研究,本文基于高斯-谢尔模交叉谱密度函数,理论计算了部分相干光束经过旋转物体透射后探测光强的解析表达式,从而系统研究部分相干光的旋转多普勒效应.具体地,选用开口大小可调节的角掩膜,理论上模拟仿真探测光强信号的波形图随光场横截面相干度的变化关系,分析其频谱特性,并探究探测光强的可见度随相干度的变化关系及原因.理论模拟发现:相干度的变化不影响调制频率的大小,进而不影响测量旋转物体转速的准确性;大多数情况下光强信号的可见度会随着相干度的增大而增大,但在某些特殊情况下会存在零点.该理论研究为利用部分相干光的旋转多普勒效应来实现转动的远程遥感测速提供了理论依据.

大气信道部分相干光通信链路性能分析与优化

针对使用开关键控的强度调制/直接检测部分相干光链路,建立了信道容量、信道误码率以及链路中断概率的数学分析模型.在此基础上,分别对完全相干光和部分相干光链路的信道容量、信道误码率以及链路中断概率进行了计算和对比分析.给出了发射功率受限时,光束初始相干度的优化选取模型.在大气湍流信道中,部分相干光通信的性能优于完全相干光通信,部分相干光传输是一种有效的大气湍流影响抑制技术.

紫外光刻中部分相干光的传播及衍射效应

基于Hopkins公式,研究了接近式紫外光刻中扩展准单色光源经柯勒照明系统传播到掩模表面上任两点的复相干度,并建立相应的基于部分相干光理论的光刻模型.应用部分相干光的传播理论,研究掩模平面到光刻胶表面任意两点互强度的传播,进而得到光刻胶表面的光强分布.以此为基础,分析了由于掩模与光刻胶之间光的衍射效应而产生的光刻微结构的图形失真.给出了理论模型的计算模拟结果,并用实验对该理论模型的计算结果进行了验证.

部分相干光经单缝衍射后的光谱变化

从几何成像规律和交叉谱密度函数的传输定律出发,从理论和实验两方面研究多色谢尔模型光束经单缝衍射后光场的光谱变化现象.理论研究结果表明:部分相干光谱经单缝衍射后,在衍射光场的某些点,光谱相对于光源的光谱往短波方向移动,即为蓝移;而在衍射光场的另一些点,光谱呈现红移.实验结果与理论结果符合得很好.

部分相干光被环形透镜聚焦而产生的焦移

从理论上研究部分相干光被一环形透镜聚焦,在焦点附近的轴上点的光强分布。研究结果表明,当部分相干光被一环形透镜聚焦时,最大聚焦光强不在几何焦点,而是位于透镜与几何焦点之间,出现焦移现象。并且,焦移量不仅依赖于透镜外半径的菲涅耳数,还依赖于部分相干光的空间相干度和中心拦截比。透镜的菲涅耳数越小,焦移越大;部分相干光的空间相干度越低,焦移越大。当菲涅耳数一定时,环形透镜的中心拦截比越大,焦移越大;当空间相干度很小时,情况就变得比较复杂。

部分相干光通过强湍流对通信系统误码率的影响

为研究部分相干光通过强湍流对系统误码率的影响,借助对激光在大气湍流场中的传输方程进行解析求解(忽略系统中其他噪声,仅考虑由大气湍流引起的系统误码率),得到不同湍流内尺度、传输激光波长和光源相干参数条件下,系统误码率和传输距离的关系。结果表明:在强湍流条件下,当发射天线数目达到一定时,随着传输距离的增加,系统误码率逐渐增大,但增大到一定程度后趋于饱和;光源相干参数越大,系统误码率越低;湍流内尺度越大,系统误码率越高;传输激光波长的变化对系统误码率无明显影响。

部分相干光被色差透镜聚焦的光谱异常现象

研究了色差透镜聚焦宽频带部分相干光,观察到在聚焦光场轴上点出现的光谱奇异现象.结果表明与入射光的光谱比较,聚焦光场某些轴上点的光谱发生很大的变化.这种光谱变化不仅与透镜的色差有关,而且还与入射的部分相干光的相干度有关.当色差一定时,部分相干光空间相干度越大,色差对轴上点光谱的影响就越大.而当部分相干光空间相干度一定时,色差越大,轴上点光谱的变化也就越大.研究结果还表明,在一定的条件下,光谱位移会发生快速变化,即发生了光谱开关现象.

Gamma-Gamma大气湍流中部分相干光通信系统性能研究

部分相干光在湍流大气中传输时,可以有效抑制湍流所引起的光强闪烁效应,从而改善通信链路性能。针对Gamma-Gamma大气湍流信道模型和部分相干光的光束特性,得到了采用OOK调制方式下部分相干光通信系统的平均误码率、中断概率和平均信道容量三个性能指标的解析表达式;在此基础上,分析了光束的空间相干长度和通信距离对通信链路的性能影响。计算结果表明,在相同的大气湍流条件和传输距离下,随着部分相干光的空间相干长度的减小,系统的误码率和中断概率逐步降低,在平均信噪比为30 dB时,系统的误码率可以达到10^(-5),中断概率低于10^(-6);另外,系统的平均信道容量会随着光束相干长度的减小而增加,在信噪比等于12 dB时,平均信道容量达到3.8 b/s·Hz^(-1)。分析结果为部分相干光在湍流大气中实现可靠通信提供了理论依据。

液晶散射法产生部分相干光实验

对无阶梯诱导空间非相干技术中前级光源太弱的问题进行了分析 ,开展了前级部分相干源的研究工作。利用向列液晶的电光特性 ,选用两种液晶盒作为散射体 ,完成了液晶散射法产生部分相干源的原理性实验 ,得出液晶散射光能量透过率、均匀性及相干性与外加电场的关系。实验表明通过改变外加电场 ,可以提高液晶散射光的强度和均匀性 。

部分相干光在大气湍流中传输的闪烁指数

实验测量了不同空间相干度的部分相干光在实际大气湍流中传输的闪烁指数。结果表明:随着入射光空间相干度的降低,闪烁随光传输距离增长而增加的趋势变得缓慢,甚至出现减小的情况。此外,与完全相干光的闪烁指数随着径向距离的增加而增加不同,部分相干光的闪烁指数沿着光斑径向距离的增加不一定增加,而有可能出现降低。相干度越低,该效应越明显。

部分相干光在湍流大气中传输的研究进展

简要回顾了部分相干光在湍流大气中传输的主要研究方法,包括广义惠更斯-菲涅尔原理、交叉谱密度函数、相干模态分解、光束有效参数和ABCD矩阵等理论解析法,以及随机相屏近似、相干模态重构和随机光脉冲等数值模拟方法;介绍了几种典型的部分相干光的定义及其真空传输衍射性质,从光束扩展、光强起伏和到达角起伏三方面介绍了部分相干光在湍流大气中传输特性的研究状况和主要研究成果;提出了应进一步深入研究的问题。

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。

部分相干光经柱面球差透镜聚焦所产生的焦移

利用Collins公式得出光强均匀部分相干光经柱面球差透镜聚焦后的轴上光强分布,并通过数值模拟的方法研究了入射光的菲涅耳数、相干度和透镜的球差对轴上点光强分布的影响·结果显示,当菲涅耳数较小、空间相干度较小的部分相干光经无球差透镜聚焦时,轴上点光强分布会产生焦移现象,而当部分相干光被球差透镜聚焦时,也会有焦移现象产生·

多束部分相干光通过强湍流对光强闪烁的影响

在Rytov方差的基础上,利用Andrews的唯像闪烁模型,推导出部分相干光通过强大气湍流后其对数光强起伏方差的公式,并用此公式对部分相干光通过强湍流后给光强闪烁造成的影响进行了仿真。其结果表明,当光源的相干性变差,即变为部分相干光后,对数光强起伏方差变小;当采用多束部分相干光时,接收面上光强起伏方差得到明显改善,而且光束越多,改善越明显。

部分相干光通过光阑-透镜分离系统的光谱特性

通过部分相干光的传输理论 ,研究了部分相干光通过光阑 透镜分离系统的光谱位移和光谱开关 理论分析和数值计算结果表明 ,部分相干光的光谱相移和光谱开关主要决定于光束的相干性、光阑的菲涅耳数以及光阑和透镜之间的距离 所取系统参量不同 。

部分相干光束在大气湍流中传输的散斑特性

光束在大气湍流中传输时,大气湍流效应对光束进行强度和相位的随机调制,最终在远场处形成散斑。以部分相干高斯-谢尔模型(Gaussian-Schell Model,GSM)光束为研究对象,根据广义的HuygensFresnel原理、修正Von Karman谱模型,推导了GSM光束在大气湍流中传输时接收端光束的有效半径和平均散斑半径的表达式。利用数值计算对比分析光源相关参数和大气湍流对光束有效半径和平均散斑半径的影响。研究表明:光束的初始束腰半径越大、相干长度越小以及波长越小时,接收端光束的有效半径和平均散斑半径受湍流的影响越小;大气折射率结构常数越大,光束扩展越严重,此时平均散斑半径越小;光束有效半径和平均散斑半径随湍流外尺度增大几乎无变化,随湍流内尺度的增大而减小。所得出的结论对无线激光通信系统中光束的捕获、对准与跟踪(Acquisition,Pointing and Tracking,APT)系统的设计提供一个重要的参考价值。

部分相干光束在湍流大气中传输时的偏振变化

根据电磁高斯-谢尔模型(EGSM)光束在湍流大气中传输时偏振特性的理论模型,研究EGSM光束在湍流介质中传输时整个光场的偏振特性.考察光源的偏振度、光源平面x,y两个方向的相干长度,以及光斑大小对光束偏振特性的影响.研究结果表明,部分相干光在湍流介质中传输时,偏振特性不仅会随着传输距离的增加而变化,而且在同一观察面内(z固定),偏振度也随位置的不同而不同.

部分相干光对周期性局域空心光束的影响

用旋转毛玻璃和光阑把激光变成部分相干光,再经过双轴棱锥系统把一束平行光变成两束同频率但不同径向波矢分量的无衍射贝塞尔光,相干叠加产生了部分相干的周期性局域空心光束.通过干涉理论与实验结果相互佐证,得出局域空心光束的周期为2.5 mm.进一步探究入射光场相干度对产生局域空心光束的影响,发现随着相干度的降低,局域空心光束中心暗斑与周围光强的衬比度会降低,但不影响局域空心光束的周期以及中心暗斑尺寸.