湍流对厄米高斯及列阵双曲余弦高斯光束的传输和远场光束质量的影响

论文摘要

激光束在湍流大气中的传输是一个有重要理论和实际应用意义的课题。一方面,实际激光存在多模情况,因此研究高阶高斯光束通过湍流大气的传输是十分重要的。另一方面,光束合成技术可以获得高的激光输出功率,并保持良好的光束质量。因此,研究合成光束在湍流大气中的传输特性在实际应用中非常重要。本文主要分三个部分。1.基于广义惠更斯-菲涅耳原理,推导出了厄米-高斯（H-G）光束的三维光强在湍流大气中的传输方程,研究了H-G光束在湍流大气中的传输特性,并与H-G光束在自由空间中的传输特性进行了比较。研究表明,H-G光束在自由空间传输会保持H-G光束的特征,但是H-G光束在湍流大气中传输其光强要经历三个阶段的变化,最终成为类高斯分布。湍流的增强会使得H-G光束传输经历三阶段的进程加快。湍流导致H-G光束扩展和最大峰值光强下降。但是,光束阶数越高的H-G光束受到的湍流的影响越小。2.详细研究了一维（1D）线阵离轴高斯光束通过湍流大气的传输特性,推导出了其光强传输方程。研究表明,1D线阵离轴高斯光束通过湍流大气传输也经历了三个阶段,即在近场其光强分布为类似于入射光的锯齿状分布,随着传输距离的增加逐渐变为平顶分布,最后在远场成为类高斯分布。并且,湍流使得不同子光束数的1D线阵离轴高斯光束的归一化光强分布相接近。此外,子光束数越多的1D线阵离轴高斯光束受到湍流的影响越小;1D线阵离轴高斯光束较高斯光束受到湍流的影响要小。3.采用光束的非相干合成的方法,推导出了M×N双曲余弦高斯（ChG）列阵光束在湍流中的三维光强传输方程。采用桶中功率（PIB）、β参数和Strehl比（ S R）作为光束质量的评价参数,研究了湍流大气对ChG列阵光束远场光束质量的影响。研究表明,在湍流大气中,ChG列阵光束的传输将经历三个阶段的变化,并且湍流使得光束传输经历三阶段的进程加快。但是,β参数随光束数目M（N）、相邻子光束间距x d（ y d）和光束参数δ的增加而减少,即光束扩展受湍流的影响减小。并且,存在最佳x d（ y d）和δ值使得S R取得极大值。因此,适当选取M（N）、x d（ y d）和δ可以降低湍流对ChG列阵光束远场光束质量的影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 论文各章节安排
• 第二章 大气湍流概述
• 2.1 概述
• 2.2 折射率起伏功率谱函数
• 第三章 激光光束在大气中的传输及光束质量评价
• 3.1 激光光束在湍流大气中传输的基本研究方法
• 3.2 激光光束相干和非相干合成
• 3.3. 光束质量的评价方法
• 第四章 厄米－高斯光束通过湍流大气的传输特性
• 4.1 引言
• 4.2 光束在湍流大气中的三维光强传输方程
• 4.3 数值计算结果及分析
• 4.4 结论
• 第五章 一维线阵离轴高斯光束通过湍流大气的传输特性
• 5.1 引言
• 5.2 传输方程
• 5.3 数值计算结果及物理解释
• 5.4 结论
• 第六章 M×N 列阵双曲余弦高斯光束在湍流中的传输和远场光束质量
• 6.1 引言
• 6.2 传输方程
• 6.3 远场光束质量
• 6.4 结论
• 第七章 结论与展望
• 主要创新点
• 今后值得进一步研究的工作
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间的科研成果
• 致谢