部分相干环状光束在大气湍流中沿水平和斜程路径传输特性的研究

论文摘要

研究激光在大气湍流中的传输特性具有重要的理论和实际应用意义。在许多激光应用领域中,如激光通讯、激光测距以及激光武器等,不可避免地会遇到激光束沿斜程路径大气（非均湍流）的传输问题。另一方面,完全相干光在湍流中传输时会迅速扩展,使其在许多领域中的应用受到限制。理论和实验均证明：部分相干光比完全相干光受湍流影响要小。非稳腔产生的高功率激光通常为非均匀分布的环状光束。因此,研究部分相干环状光束在大气湍流中沿水平和斜程路径传输特性具有十分重要的意义。本论文的主要研究工作有：1、研究了大气湍流对部分相干环状光束近场和远场光束扩展的影响。根据广义惠更斯-菲涅尔原理,并利用维格纳分布函数,推导出了部分相干环状光束沿水平路径在湍流中传输的瑞利长度和远场发散角的解析表达式。用瑞利长度和远场发散角分别描述光束在近场和远场的光束扩展特性,详细研究了部分相干环状光束在湍流中的扩展。研究表明,湍流和光束参数（如：空间相关长度、束腰宽度和波长）对远场和近场光束扩展的影响是一致的。而在湍流中,光束遮拦比对光束在远场和近场扩展的影响是不同的,即：在湍流中随着光束遮拦比的增大,近场光束扩展变小,而远场光束扩展变大。并且,当光束空间相关长度较小时,光束的瑞利长度和远场发散角随着光束遮拦比的变化很小本论文对主要的结论给出了合理的物理解释。2、研究了部分相干环状偏心光束在大气湍流中沿斜程路径的传输特性。建立了沿x轴方向呈线性非均匀场分布的部分相干环状偏心光束的数学-物理模型,推导出部分相干环状偏心光束在大气湍流中沿斜程路径的平均光强和光束质心的解析表达式,并给出了光束峰值光强位置的传输方程。研究表明,随着传输距离和湍流强度的增大,光束的非均匀性逐渐被补偿。光束的质心位置与传输距离和湍流均无关,但峰值光强的位置会随着传输距离和湍流的改变而改变。当达到某一特定传输距离时,峰值光强的位置距离传输z轴最远。当传输距离足够大时,峰值光强的位置达到一个不变值,这个不变值随着天顶角的减小而增大,自由空间中最大；此时峰值光强的位置不在z轴上,但它比光束质心位置距离z轴更近。本文还研究了各光束参数（光束偏心参数、空间相关长度和遮拦比）及传输距离等因素对不同的传输方式（自由空间、斜程湍流和水平路径湍流）下光束的远场处峰值光强的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 研究意义
• 1.4 研究内容及论文各章节安排
• 第二章 理论基础
• 2.1 大气湍流概述
• 2.1.1 湍流内尺度、外尺度
• 2.1.2 湍流折射率起伏功率谱函数
• 2.1.3 湍流折射率结构常数
• 2.2 光束在大气湍流中传输的主要研究方法
• 2.2.1 Rytov近似
• 2.2.2 广义惠更斯-菲涅尔（Hugens-Fresnel）原理
• 2.3 光束质量的评价参数
• 2.4 环状光束理论模型
• 2.4.1 部分相干环状光束
• 2.4.2 部分相干环状偏心光束
• 第三章 大气湍流对部分相干环状光束近场和远场光束扩展的影响
• 3.1 理论公式
• 3.1.1 瑞利长度
• 3.1.2 远场发散角
• 3.2 数值计算结果及分析
• 3.2.1 湍流对近场光束扩展的影响
• 3.2.2 湍流对远场光束扩展的影响
• 3.3 物理解释
• 3.4 结论
• 第四章 部分相干环状偏心光束沿斜程路径大气湍流的传输特性
• 4.1 理论公式
• 4.1.1 平均光强传输方程
• 4.1.2 光束质心的解析表达式
• 4.1.3 峰值光强位置方程
• 4.2 数值计算结果及分析
• 4.2.1 大气湍流对光束非均匀性的影响
• 4.2.2 不同传输方式下大气湍流对远场光束质量的影响
• 4.3 结论
• 第五章 总结
• 5.1 主要结论
• 5.2 主要创新点
• 参考文献
• 附录A
• 附录B
• 致谢
• 攻读硕士期间的科研成果