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。

基于非相干光频域反射的多芯光纤网络链路缺陷智能检测

为了保证通信安全稳定、数据传输完整,提出了一种基于非相干光频域反射的多芯光纤网络链路缺陷智能检测。先构建多芯光纤网络数学模型,约束光纤节点映射和频谱分配,使频谱数量最少的同时占用的频隙数最大。然后利用分簇检测建立数据传输链路模型,得出通信传输函数,根据相关匹配滤波器调整链路,通过波特间隔均衡完成链路数据采集。最后运用非相干光频域反射步进频率调制产生的瑞利散射光波,结合傅里叶逆变换获得网络健康状况空间分布位置,实现多芯光纤网络链路缺陷智能检测。实验结果表明,所提方法能够准确检测出链路缺陷,对链路阻塞缺陷检测、链路平均故障风险检测率、链路频谱利用率缺陷检测误差分别小于0.4%、0.2%和0.5,且检测时长控制在1.5 s以内,可帮助网络及时恢复运行。

部分相干多离轴涡旋矢量光束的传输特性

基于相干与偏振的统一理论,采用傅里叶变换和卷积定理的方法,研究了携带多个离轴涡旋相位的径向偏振矩形对称余弦-高斯关联结构光束的传输特性.结果表明,该光束因其独特的空间相干结构而具有自分裂特性,可以分裂成4束完全相同的子波瓣.更重要的是,多离轴涡旋相位的调制可以作用在每个子波瓣上.当相干度较大时,通过调制光束的离轴涡旋数量N_(0)和光束阶数可以在焦平面处产生具有三角形或正方形等多边形空心光强分布的光斑阵列,并且每个子波瓣上对应的偏振态呈现倒三角形或斜正方形的椭圆分布.当相干度较小时,部分相干光束的空间相干性调控占主导作用,多离轴涡旋相位的调制效果消失,每个子波瓣的光强退化成高斯形式分布,但其偏振态分布仍保持不变,与光束阶数和相干长度无关.此外,当利用障碍物遮挡住其中一个离轴涡旋相位时,光束仍具有一定的自修复能力.然而,若将其中一个离轴涡旋相位完全遮挡住,此时每个子波瓣的强度分布和偏振态分布都遭到破坏,会出现不同程度的“缺口”.

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。

表面粗糙度的非相干光三角法测量研究

激光三角法因其非接触、结构简单和工作距离大等优点在粗糙度测量中的应用越来越多,但激光测量易受散斑噪声影响,无法实现高精度的测量。对此提出一种非相干光三角法,采用非相干线光作为测量光源,避免了散斑噪声影响。搭建一套测量表面粗糙度的非相干光三角法系统,通过对比非相干光条纹图与激光条纹图的特点,研究了表面粗糙度参数的计算方法,完成了刨削和立铣不同粗糙度等级样块的测量,并增加触针法的测量结果作为参考标准。实验结果表明:非相干光三角法的测量结果与触针法结果接近,其中测量的轮廓算数平均偏差Ra的相对误差最大为11.3%,轮廓最大高度Rz的相对误差最大为16.9%。激光三角法在测量粗糙度值较大的样块▽3~▽5时误差较小,测量粗糙度值较小的样块▽6和▽7时误差激增,Ra和Rz的相对误差最大值都超过了100%;非相干光三角法的测量精度高于激光三角法。

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.

部分相干电磁光束非相干合成的传输特性

提出用2×2交叉谱密度矩阵描述空间-频率域中部分相干电磁光束非相干合成光束的二阶相关性。利用广义惠更斯-菲涅耳原理推导出电磁高斯谢尔模型光束非相干合成光束在自由空间中传输的光谱密度和偏振度的解析公式。重点研究阵列参数、自相关长度、互相干长度和传输距离对非相干合成光束偏振度的影响。对所得结果用数值计算做了说明。

部分空间非相干光光生伏打暗空间孤子及其定向耦合器

对部分空间非相干光光生伏打暗空间孤子进行了实验研究.在光折变晶体L iN bO3:F e中,分别观察到由相位掩模和振幅掩模产生的部分空间非相干光光生伏打暗空间孤子及其感应波导,并且由两个部分空间非相干光光生伏打暗空间孤子感应的波导制成定向耦合器,研究了耦合效率与空间孤子之间距离的关系.

非均匀关联径向偏振部分相干光的产生

从理论和实验两方面对非均匀关联径向偏振部分相干光的产生进行了研究.理论上,基于相位关联与相干度的联系,推导出了非均匀关联径向偏振部分相干光的2×2阶交叉谱密度矩阵及相干度分布.实验上,利用一个相位型液晶空间光调制器的不同区域,对入射的完全相干的径向偏振光的两个正交偏振分量分别加载随机相位调制,并实验测量了这种光束的相干度分布及其对光强分布的影响.实验结果验证了光束相干度的非均匀关联结构,并且通过改变随机相位的高斯调制半宽可以改变光束的相干性分布.研究表明,随着随机相位的高斯调制半宽的增加,光束中两点间的相干度逐渐减小,其光强分布由圆环状逐渐变化为类平顶的光强分布.这种非均匀关联的径向偏振部分相干光在激光微操纵和材料加工等领域具有一定的潜在应用价值.

高斯型非均匀部分相干光的大气湍流传输特性

基于广义惠更斯-菲涅耳原理和交叉谱密度函数,对高斯型非均匀关联的部分相干光束在大气湍流中的传输特性进行了研究.结果表明,部分相干光的相干度的变化和源平面的高斯调制半宽、传输距离等有着密切关系.在传输过程中,初始平面相干度分布存在突变,在传输过程中消失;光束中两点的相干度随着传输距离的增加先增大后减小,并且相干度的分布由非均匀分布变成均匀分布.这种非均匀关联的部分相干光束在激光通信领域具有广阔的应用前景.

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.

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.

高功率光纤激光的时间部分相干性对相干合成的影响

将多个光纤激光器的输出光束进行相干合成是获得高功率、高光束质量激光的有效途径。利用准部分相干光(PPCB)模型,计算了高功率光纤激光器阵列发出的部分相干光在远场的能量分布,分析了激光的时间部分相干性对相干合成的影响。计算结果表明,随着单根激光器输出光束线宽的增大,远场光斑的图样基本保持不变,但峰值功率和Strehl比随之减小。对于采用的算例,要保证远场光斑的Strehl比大于0.8,单根光纤激光器的线宽不能超过5 nm。

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.

部分相干贝塞尔高斯光束在非柯尔莫哥诺夫湍流中的传输特性

根据广义惠更斯一菲涅耳原理，推导出了部分相干贝塞尔高斯光束在非柯尔莫哥诺夫湍流中传输时平均光强和偏振度的解析表达式，研究了部分相干贝塞尔一高斯光束在非柯尔莫哥诺夫湍流模型下的光强分布特征和偏振度变化规律，同时分析了指数项、折射率结构常量、湍流内外尺度以及拓扑荷、光源相干性等对光束传输性质的影响．数值计算表明，随着传输距离的增加，部分相干贝塞尔高斯光束的光强会从空心分布逐渐演变为高斯分布，同时光束会有一定程度的展宽．而且，当指数项值越接近于3．1，折射率结构常量越大，外尺度越大或者内尺度越小时，光强分布的演变越为迅速，展宽现象也越明显；当拓扑荷越小或者相干长度越小时，光强分布的演变越迅速，但是二者对展宽现象的影响并不明显．另外，偏振度在近距离处会经历一段振荡及升降变化过程，当距离足够远时会趋于一个稳定值，且该值等于光源平面上的初始偏振度．偏振度变化的快慢程度受指数项、折射率结构常量、湍流内外尺度、拓扑荷和相干长度等因素的影响．

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。

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 。

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。