研究各向异性大气湍流中部分相干扭曲涡旋光束（PCTVB）的M2因子，并对其进行了数值模拟。研究结果表明，通过联合调控PCTVB的扭曲因子和涡旋因子，能有效降低湍流对光束传输质量的影响：调控扭曲因子和拓扑荷越大，PCTVB能更加有效地抑制湍流对光束传输质量的影响；调控扭曲因子和拓扑荷同号，PCTVB的抗湍流能力得到增强。对传统高斯谢尔模光束（GSMB）与PCTVB的M2因子进行了比较，结果表明PCTVB的抗湍流能力明显强于传统GSMB。此外，还发现各向异性因子可以弱化湍流对光束传输质量的影响，且各向异性因子越大，湍流对光束传输质量的影响越小。

根据激光光束质量国际标准，采用光束质量[M2]因子来评价相干阵激光的光束质量，并采用拟合相干阵激光传输双曲线方程的方法计算了相干阵激光在不同波长、子光源半径、占空比、阵列宽度等参数条件下的[M2]值。考虑到采用拟合双曲线方程来计算[M2]值存在较大的误差，同时采用桶中功率比(BQ)对相干阵激光的光束质量进行计算。根据所提出的BQ值与[M2]值的关系式，通过计算BQ值得到相干阵激光在不同参数情况下稳定的[M2]值。计算结果表明，相干阵激光的光束质量接近衍射极限。

激光光束质量因子(M²)是全面表征激光光束质量的一个技术评价指标。提出了一种基于振幅调制的M²测量方法,该方法通过记录单幅激光光斑就可以利用迭代计算重建光束的复振幅;进而根据标量衍射理论,可以得到沿光束传输方向任意截面位置的光束强度分布;最后由二阶矩和双曲线拟合方法计算M²因子。模拟和实验验证了所提方法的有效性,且该实验技术简单、快速,不需要复杂的机械扫描结构,适用于脉冲激光光束质量的测量。

在以激光作为测试光源的高精度测试装置中,激光器实际输出的束形参数值与其标称值的偏离会直接传递并影响到后续测试结果的准确度。提出一种基于CCD的多点测试方法,此方法在不降低测量精度的条件下可实现激光束形参数的简便测试。在搭建的测试装置上实现了633 nm HeNe激光器束腰半径、远场发散角和M2质量因子的测量,可以方便地评价激光光束质量。将束形参数简便测试方法的结果与法国Phasics公司的SID4波前探测器的测量结果进行了比对,结果表明,激光束形参数简便测试方法不仅能用于激光束形参数的简便检测,而且具有较高的精度。

为了研究受遮挡贝塞尔-高斯光束在湍流大气中传输时质量因子的特性, 基于拓展的惠更斯-菲涅耳原理和维格纳分布函数的二阶矩定义, 经理论推导得出受遮挡贝塞尔-高斯光束的解析表达式, 并进行了相应的数值计算。结果表明,当遮挡物尺寸不大于0.4倍的腰宽时, 受遮挡贝塞尔-高斯光束在湍流大气中的传输质量因子随传播距离、湍流大气结构常数的增大而增大, 随着湍流内标量、光束拓扑荷数的增大而减小。在相同条件下, 光束的传输质量因子随着遮挡物尺寸的增大而增大。所得结论对实际激光传输和自由空间光通信有一定的参考价值。

为了研究部分相干平顶光束阵列在海洋湍流中的传输特性, 基于拓展惠更斯-菲涅耳原理和魏格纳分布函数, 结合海洋湍流的空间功率谱函数, 理论推导了部分相干平顶光束阵列在海洋湍流中的传输因子、有效曲率半径、瑞利尺寸的解析表达式, 数值计算并讨论了它们与光束的相干长度、海水温度与盐度变化、动能耗散率、温度方差耗散率等参量的关系。结果表明,在相同条件下, 当传输距离超过400m时, 相对于部分相干高斯光束、部分相干平顶光束和部分相干高斯光束阵列, 部分相干平顶光束阵列受海洋湍流的影响更小, 传输特性更为稳定。此结果对选择合适的光束在海洋湍流传输方面具有一定的参考价值。

温度场起伏导致空气折射率的起伏，风速的变化影响湍流的动态特性，从而形成光学湍流效应，对大气激光传输产生影响。研制了一种用于研究激光大气传输效应的Herriott长光程大气湍流发生装置，此装置能模拟出温度差范围为10~200 ℃，风速范围为0~5.8 m/s以及光程为1~100 m 的随机大气湍流。分析并测量了在不同温度、风速参数下该装置对激光传输的光束质量影响。实验结果表明，该大气湍流发生装置的性能指标与实际大气湍流性能较为接近，且具有温度范围宽、光程可调、重复性好、准确度高等优点，能够满足大气传输湍流效应的实验要求。

基于功率密度的二阶矩方法, 数值模拟研究了非傍轴余弦平方-高斯光束的束宽、 远场发散角和M2因子。计算结果表明: 1)束腰宽度W0(0)随w0/λ的增大而增大。 当w0/λ较大 (w0/λ≥0.5) 时, 束腰宽度随着偏心参 数的增大而减小。2) 当w0/λ→0时, 远场发散角趋于渐近值θ0max=63.435°, 与偏心参数α无关。3) 在非傍轴范畴, 余弦平方-高斯光束的M2因子不仅与偏心参数α有关, 而且还与初始束腰宽度和波长之比w0/λ有关。 当w0/λ足够小时, M2因子可小于1。对给定的偏心参数α, M2因子随w0/λ的变化并非总是单调的。 M2因子随w0/λ的增大而增大, 当达到最大值后又逐渐减小, 最后渐近趋于一稳定值。

多路激光束合成是获得高功率和高能量激光输出的有效途径,因此,多年来光束合成方法和技术得 到了广泛的关注和深入研究。近年来,随着空间光通信和激光传播工程等应用需求的发展,合成光束 在湍流大气中的传播过程及其规律研究也逐渐成为光传播研究领域的热点问题。针对多种典型激光阵 列合成光束,首先对比分析了广义Huygens-Fresnel原理、Rytov微扰近似以及随机相位屏数值模拟等 方法在激光阵列合成光束大气传输研究中的应用;其次,阐述了合成光束传播应用研究中的桶中功 率、衍射极限倍数β、M2因子、光束传输因子等光束质量评价因子的评价作用; 最后,根据阵列合成激光束的研究现状和成果,提出了应进一步深入研究的问题。

利用近年来发展的描述海洋湍流的空间功率谱函数，结合数值积分的方法计算并绘制了广义惠更斯菲涅耳积分中湍流项的大小随湍流参数变化的曲面图。继而通过魏格纳分布函数和光束二阶矩的定义模拟了部分相干厄米高斯(PCHG)光束的M2因子在海洋湍流中的变化情况，分析了光源参数的选择对于光束传输质量因子的影响。最后通过M2因子矩阵，计算了非旋转对称二维PCHG光束传输质量随旋转角α变化的轨迹图。发现随着传输距离的增大，在接收面上，光斑因x，y方向上模式的不同而造成轨迹图的形状的不同将逐渐消失，趋近于相同的圆形轨迹。