径向阵列涡旋光束在大气中的传输与扩展

骆传凯; 卢芳; 苗志芳; 韩香娥

doi:doi:10.3788/AOS201939.0601004

光学学报, 2019, 39 (6): 0601004, 网络出版: 2019-06-17

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Propagation and Spreading of Radial Vortex Beam Array in Atmosphere

骆传凯卢芳苗志芳韩香娥 ^*

作者单位

西安电子科技大学物理与光电工程学院, 陕西西安 710071

图 & 表

图 1. 阵列光束径向分布排列方式

Fig. 1. Radial distribution of beam array

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图 2. 数值模拟光束传播示意图

Fig. 2. Numerical simulation of beam propagtion

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图 3. 真空中不同距离处径向阵列涡旋光束的光场分布。(a) z=0 m,光强; (b) z=0 m,相位; (c) z=500 m,光强; (d) z=500 m,相位

Fig. 3. Light field distributions of radial vortex beam array at different propagation distances in free space. (a) z=0 m, intensity; (b) z=0 m, phase; (c) z=500 m, intensity; (d) z=500 m, phase

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图 4. 真空中不同距离处径向阵列涡旋光束的光场分布。(a) z=1000 m,光强;(b) z=2000 m,光强;(c) z=5000 m,光强;(d) z=1000 m,相位;(e) z=2000 m,相位;(f) z=5000 m,相位

Fig. 4. Light field distributions of radial vortex beam array at different propagation distances in free space. (a) z=1000 m, intensity; (b) z=2000 m, intensity; (c) z=5000 m, intensity; (d) z=1000 m, phase; (e) z=2000 m, phase; (f) z=5000 m, phase

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图 5. 湍流中不同传输距离处径向阵列涡旋光束的光强分布(Cn2=1×10-14 m-2/3)。(a)~(c)瞬时;(d)~(f)长曝光

Fig. 5. Light field distributions of radial vortex beam array at different propagation distances in turbulence (Cn2=1×10-14 m-2/3). (a)-(c) Instantaneous; (d)-(f) long exposure

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图 6. 不同束腰宽度下相对束宽与传输距离的关系曲线。(a)单涡旋光束; (b)阵列涡旋光束

Fig. 6. Relative beam width versus transmission distance under different waist widths. (a) Single vortex beam; (b) vortex beam array

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图 7. 不同拓扑荷下相对束宽与传输距离的关系曲线。(a)单涡旋光束; (b)阵列涡旋光束

Fig. 7. Relative beam width versus transmission distance under different topological charges. (a) Single vortex beam; (b) vortex beam array

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图 8. 不同湍流强度下相对束宽与传输距离的关系曲线。(a)单涡旋光束; (b)阵列涡旋光束

Fig. 8. Relative beam width versus transmission distance under different turbulence intensities. (a) Single vortex beam; (b) vortex beam array

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图 9. 不同湍流外尺度下相对束宽与传输距离的关系曲线。(a)单涡旋光束; (b)阵列涡旋光束

Fig. 9. Relative beam width versus transmission distance under different turbulence outer scales. (a) Single vortex beam; (b) vortex beam array

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图 10. 不同湍流内尺度下相对束宽与传输距离的关系曲线。(a)单涡旋光束; (b)阵列涡旋光束

Fig. 10. Relative beam width versus transmission distance under different turbulence inner scales. (a) Single vortex beam; (b) vortex beam array

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表 1数值仿真参数

Table1. Parameters for numerical simulation

Parameter	Value	Parameter	Value
Wavelength λ /μm	1.55	Beam waist ${w_{0}}_{}$ /mm	10-30
Number of radial beams N₀	6	Distance between sub-beam and center r₀	6×w₀
Topological charge l	1-3	Number of samples	512×512
Grid size of phase screen /mm	2	Turbulence intensity ${C_{n}^{2}}_{}$ /m^-2^/³	1×10^-16-1×10^-13
Inner scale ${l_{0}}_{}$ /mm	3-10	Outer scale ${L_{0}}_{}$ /m	1-10

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骆传凯, 卢芳, 苗志芳, 韩香娥. 径向阵列涡旋光束在大气中的传输与扩展[J]. 光学学报, 2019, 39(6): 0601004. Chuankai Luo, Fang Lu, Zhifang Miao, Xiang’e Han. Propagation and Spreading of Radial Vortex Beam Array in Atmosphere[J]. Acta Optica Sinica, 2019, 39(6): 0601004.

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图 1. 阵列光束径向分布排列方式

Fig. 1. Radial distribution of beam array

图 2. 数值模拟光束传播示意图

Fig. 2. Numerical simulation of beam propagtion

图 3. 真空中不同距离处径向阵列涡旋光束的光场分布。(a) z=0 m,光强; (b) z=0 m,相位; (c) z=500 m,光强; (d) z=500 m,相位

Fig. 3. Light field distributions of radial vortex beam array at different propagation distances in free space. (a) z=0 m, intensity; (b) z=0 m, phase; (c) z=500 m, intensity; (d) z=500 m, phase

图 4. 真空中不同距离处径向阵列涡旋光束的光场分布。(a) z=1000 m,光强;(b) z=2000 m,光强;(c) z=5000 m,光强;(d) z=1000 m,相位;(e) z=2000 m,相位;(f) z=5000 m,相位

Fig. 4. Light field distributions of radial vortex beam array at different propagation distances in free space. (a) z=1000 m, intensity; (b) z=2000 m, intensity; (c) z=5000 m, intensity; (d) z=1000 m, phase; (e) z=2000 m, phase; (f) z=5000 m, phase

图 5. 湍流中不同传输距离处径向阵列涡旋光束的光强分布(Cn2=1×10-14 m-2/3)。(a)~(c)瞬时;(d)~(f)长曝光

Fig. 5. Light field distributions of radial vortex beam array at different propagation distances in turbulence (Cn2=1×10-14 m-2/3). (a)-(c) Instantaneous; (d)-(f) long exposure

图 6. 不同束腰宽度下相对束宽与传输距离的关系曲线。(a)单涡旋光束; (b)阵列涡旋光束

Fig. 6. Relative beam width versus transmission distance under different waist widths. (a) Single vortex beam; (b) vortex beam array

图 7. 不同拓扑荷下相对束宽与传输距离的关系曲线。(a)单涡旋光束; (b)阵列涡旋光束

Fig. 7. Relative beam width versus transmission distance under different topological charges. (a) Single vortex beam; (b) vortex beam array

图 8. 不同湍流强度下相对束宽与传输距离的关系曲线。(a)单涡旋光束; (b)阵列涡旋光束

Fig. 8. Relative beam width versus transmission distance under different turbulence intensities. (a) Single vortex beam; (b) vortex beam array

图 9. 不同湍流外尺度下相对束宽与传输距离的关系曲线。(a)单涡旋光束; (b)阵列涡旋光束

Fig. 9. Relative beam width versus transmission distance under different turbulence outer scales. (a) Single vortex beam; (b) vortex beam array

图 10. 不同湍流内尺度下相对束宽与传输距离的关系曲线。(a)单涡旋光束; (b)阵列涡旋光束

Fig. 10. Relative beam width versus transmission distance under different turbulence inner scales. (a) Single vortex beam; (b) vortex beam array

表 1数值仿真参数

Table1. Parameters for numerical simulation

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图 1. 阵列光束径向分布排列方式

Fig. 1. Radial distribution of beam array

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Fig. 2. Numerical simulation of beam propagtion

图 3. 真空中不同距离处径向阵列涡旋光束的光场分布。(a) z=0 m,光强; (b) z=0 m,相位; (c) z=500 m,光强; (d) z=500 m,相位

Fig. 3. Light field distributions of radial vortex beam array at different propagation distances in free space. (a) z=0 m, intensity; (b) z=0 m, phase; (c) z=500 m, intensity; (d) z=500 m, phase

图 4. 真空中不同距离处径向阵列涡旋光束的光场分布。(a) z=1000 m,光强;(b) z=2000 m,光强;(c) z=5000 m,光强;(d) z=1000 m,相位;(e) z=2000 m,相位;(f) z=5000 m,相位

Fig. 4. Light field distributions of radial vortex beam array at different propagation distances in free space. (a) z=1000 m, intensity; (b) z=2000 m, intensity; (c) z=5000 m, intensity; (d) z=1000 m, phase; (e) z=2000 m, phase; (f) z=5000 m, phase

图 5. 湍流中不同传输距离处径向阵列涡旋光束的光强分布(Cn2=1×10-14 m-2/3)。(a)~(c)瞬时;(d)~(f)长曝光

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图 7. 不同拓扑荷下相对束宽与传输距离的关系曲线。(a)单涡旋光束; (b)阵列涡旋光束

Fig. 7. Relative beam width versus transmission distance under different topological charges. (a) Single vortex beam; (b) vortex beam array

图 8. 不同湍流强度下相对束宽与传输距离的关系曲线。(a)单涡旋光束; (b)阵列涡旋光束

Fig. 8. Relative beam width versus transmission distance under different turbulence intensities. (a) Single vortex beam; (b) vortex beam array

图 9. 不同湍流外尺度下相对束宽与传输距离的关系曲线。(a)单涡旋光束; (b)阵列涡旋光束

Fig. 9. Relative beam width versus transmission distance under different turbulence outer scales. (a) Single vortex beam; (b) vortex beam array

图 10. 不同湍流内尺度下相对束宽与传输距离的关系曲线。(a)单涡旋光束; (b)阵列涡旋光束

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