空军工程大学信息与导航学院通信系统教研室，陕西 西安 710077
提出了一种可调谐非傍轴自加速光束产生方法，该方法可以使光束在不需要傍轴近似的情况下沿任意凸轨迹传播。利用维格纳函数和焦散线原理，导出了傅里叶空间振幅相位和自加速传播轨迹之间的显式表达式。通过设计傅里叶空间的初始角谱产生了具有自聚焦特性的非傍轴自加速阵列光束，分析了光束数量、阵列半径和光束参数大小等对焦点位置和自聚焦性能的影响。结果表明，该方法产生的自聚焦光束突破了傍轴近似限制，且光束轨迹和调控方式更加灵活高效。
物理光学 自加速光束 阵列光束 维格纳函数 光学焦散线 光学学报
2022, 42(20): 2026003
Author Affiliations
Abstract
Zhejiang Provincial Key Laboratory of Quantum Technology and Device, Department of Physics, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China
We introduce a new class of partially coherent asymmetric array beams. When the beam propagates, the spectral density of each lobe and the corresponding degree of coherence have rotating behavior. Especially, not only can array-like lattices revolve arbitrarily, but also they can move freely by controlling transverse plane shifts. Furthermore, we have generated this kind of beam experimentally, and the experimental phenomena are consistent with the numerical simulation results. Such a rotating beam with free movement and revolution may broaden the way for optical applications. More importantly, it inspires further studies in the field of asymmetric coherence gratings and lattices.
partial coherence asymmetric array beams rotating behavior transverse plane shifts free movement and revolution Chinese Optics Letters
2022, 20(2): 022602
1 安徽师范大学物理与电子信息学院,安徽省光电材料科学与技术重点实验室, 安徽 芜湖 241002
2 中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室, 陕西 西安 710119
基于拓展的惠更斯-菲涅尔原理,推导出了圆对称阵列光束在各项异性湍流大气中传输的束腰宽度和光束漂移解析表达式,并对此表达式进行了数值模拟。结果表明:圆对称阵列光束在各项异性湍流大气传输时,阵列光束的高斯光束个数对光束漂移的影响较小,而高斯阵列所围成圆环的半径对光束漂移的影响较大,半径越大,阵列光束的漂移越小;各项异性湍流大气的幂律参数和各项异性因子也是影响光束漂移的主要因素。在相同条件下,阵列光束受到各项异性湍流大气的扰动比高斯光束小。
大气光学 光束漂移 拓展的惠更斯-菲涅尔原理 圆对称阵列光束 atmospheric optics beam wander extended Huygens- Fresnel principle radial array beams
西安电子科技大学物理与光电工程学院, 陕西 西安 710071
基于功率谱反演法产生海洋湍流相位屏,对多次传输过程进行统计平均,仿真分析不同海洋湍流参量下不同高斯阵列光束(矩形分布、径向分布及单束)长曝光光斑半径、光斑质心漂移特性及光强闪烁特性。结果表明:光束长曝光光斑半径、光斑质心漂移标准差及轴上闪烁系数均随湍流效应(湍流强度或传输距离)的增强而增大;同时,阵列光束与单束高斯光的光斑半径趋于一致,当传输距离继续增大时,单束高斯光束长曝光光斑半径略大。相对于单束高斯光,阵列光束在相同湍流条件下具有更小的漂移标准差,但轴上闪烁系数较大。相对于大气湍流而言,海洋湍流具有较强的闪烁效应。
海洋光学 海洋湍流 数值模拟 阵列光束 光束漂移 闪烁系数
西安理工大学 自动化与信息学工程学院, 陕西 西安 710048
根据广义Huygens-Fresnel原理和修正von Karman谱模型, 推导出了径向分布高斯阵列光束经非相干合成后在大气湍流中传输时的光强分布解析表达式, 并对阵列光束自耦合特性随传输距离和径向分布半径的变化情况进行了数值分析, 最后对径向分布半径不同的阵列光束自耦合特性随传输距离的变化进行了测量。实验结果表明: 高斯阵列光束在大气湍流中水平传输时, 随着传输距离的增加阵列光束会从某一距离处耦合成一束, 且合成光束的平均光强呈类高斯分布; 相同传输条件下, 径向分布半径越小, 阵列光束的自耦合特性越好。
无线光通信 径向分布高斯阵列光束 光强分布 自耦合特性 wireless optical communication radial Gaussian array beams intensity distribution self-coupling characteristics 红外与激光工程
2017, 46(8): 0822003
1 西安理工大学 自动化与信息工程学院, 西安 710048
2 江苏海虹电子有限公司, 江苏 扬州 225108
基于广义的Huygens-Fresnel原理和非Kolmogorov谱模型, 推导了无线光通信系统中径向分布部分相干高斯-谢尔模型阵列光束在非Kolmogorov大气湍流中传输时瑞利区间zR和湍流距离zT的解析表达式, 对瑞利区间和湍流距离随湍流参量和光束参量的变化情况进行了数值分析.结果表明: 不论是相干还是非相干合成, 径向分布部分相干高斯-谢尔模型阵列光束的zR和zT均随湍流广义指数α的增大非单调变化, 当α=3.11时, zR和zT取最小值, 此时阵列光束扩展最大; 相干合成比非相干合成的光束扩展要小, 但其受湍流的影响更大; 对于相干合成而言, 径向分布半径r0越大, 合成光束的zR和zT就越大, 而非相干合成的zR和zT不受r0的影响; 不论是相干还是非相干合成, 阵列子光束数目对合成光束的zR和zT没有影响; 当光束相干参量β足够小或波长λ足够大时, 大气湍流对阵列光束zR的影响可以忽略.
无线光通信 径向部分相干阵列光束 非Kolmogorov湍流 相干和非相干合成 瑞利区间 湍流距离 Wireless optical communication Radial partially coherent array beams Non-Kolmogorov turbulence Coherent and incoherent combination Rayleigh range Turbulence distance 光子学报
2016, 45(11): 1106002
西安理工大学自动化与信息工程学院, 陕西 西安 710048
根据广义Huygens-Fresnel原理和修正von Karman谱模型，推导得到无线光通信系统中相互独立的部分相干高斯谢尔模型(GSM)阵列光束在大气湍流中传输时的光强分布、均方根束宽和桶中功率解析式，并对不同因素影响下的自耦合特性、光束扩展和桶中功率进行了数值分析。结果表明，部分相干GSM阵列光束在大气传输过程中，当到达某一距离时多束光能合成一个平顶光束，再演变为高斯光束，且阵列光束在大气湍流中的自耦合特性比在自由空间中好；湍流外尺度对光强分布、光束扩展影响很小，可以忽略；部分相干GSM阵列光束与部分相干单GSM光束相比，具有更强的抑制湍流特性，有利于实现远距离通信。
光通信 部分相干阵列光束 大气湍流 光强分布 光束扩展 桶中功率 激光与光电子学进展
2016, 53(10): 100601
西安电子科技大学 物理与光电工程学院, 陕西 西安 710071
基于广义惠更斯-菲涅尔原理, 采用Rytov方法推导了径向分布高斯阵列光束在非Kolmogorov湍流大气中传输时的光强闪烁指数表达式, 分析了径向半径r0、光束个数N、广义指数α及传输距离L对轴上和离轴闪烁指数的影响。结果表明: 轴上和离轴闪烁指数随着α的增加均先增大后减小, 值得注意的是不同的r0光束的闪烁指数达到极大值所对应的α略有不同, 轴上闪烁指数随着r0的增大达到极大值所对应的α呈减小趋势, 而离轴闪烁指数随着r0的增大达到极大值所对应的α呈增大趋势; 光轴附近各阵列光束的闪烁指数小于高斯光束的闪烁指数, 随着px的增大阵列光束闪烁指数将大于高斯光束闪烁指数。当r0相同时N越大闪烁指数越小, 当N相同时闪烁指数随r0的增大非单调变化, 而是存在一个极小值。
非Kolmogorov湍流 径向阵列光束 闪烁指数 Rytov方法 non-Kolmogorov turbulence radial array beams scintillation index Rytov method 红外与激光工程
2016, 45(7): 0711001
西安电子科技大学物理与光电工程学院，陕西 西安 710071
基于广义Huygens-Fresnel原理和Rytov相位结构函数二次近似的方法，推导出了径向分布高斯-谢尔模(GSM)阵列光束在湍流大气中传输时的交叉谱密度函数解析表达式，并利用表征光束相干性的空间复相干度系数，详细分析了GSM阵列光束在大气湍流中传输时的空间相干性变化规律。研究结果表明：径向分布GSM阵列光束的空间相干性由子光束空间相干长度、传输距离、大气折射率结构常数及相对径向填充因子等因素共同确定；径向分布GSM阵列光束通过湍流大气时，其空间相干度在传输过程中会出现多峰值现象，但是随着传输距离增大，多峰值现象逐渐消失并趋向于高斯分布，并且随着距离增大空间相干度宽度逐渐减小，光束空间相干性变差。
空间相干度 高斯-谢尔模型 阵列光束 大气湍流 交叉谱密度函数 degree of spatial coherence Gaussian Schell-model array beams atmospheric turbulence cross-spectral density function
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所 中国科学院大气成分与光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学院研究生院, 北京 100049
3 国防科学技术大学光电科学与工程学院, 湖南 长沙 410073
相比单束光，阵列光束由于各光束之间互不相干，可以减小大气湍流引起的接收光强起伏。特别在激光照明和通信等应用场合中，非相干合成光束可以明显提高照明均匀性和减小通信误码率。简要介绍了相干合成阵列光束在湍流大气中传输的光强闪烁研究进展。针对非相干合成阵列光束在减小光强闪烁的优势，回顾了非相干合成阵列光束在激光主动照明、星地激光大气通信方面的实验研究结果；详细总结了子光束为不同类型的非相干合成阵列光束的理论研究方法和结果，包括不同波长光、基模高斯光、部分相干高斯光和艾里光。实际中子光束一般为部分相干光，它们互相之间存在相干性。提出了下一步应深入开展研究的问题为阵列光束大气的光强闪烁。
大气光学 光传播 湍流大气 光强闪烁 阵列光束 部分相干光 激光与光电子学进展
2012, 49(7): 070008
