1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院大气光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
3 先进激光技术安徽省实验室, 安徽 合肥 230037
4 脉冲功率激光技术国家重点实验室, 安徽 合肥, 230037
激光在大气传输过程中, 由于湍流折射率的随机起伏会引起波前畸变、光斑漂移、闪烁等一系列光学湍流效应, 因此严重制约了遥感成像系统和激光通信技术的发展。通过分析大气光学湍流对多个领域的影响, 指出了探测大气光学湍流廓线的重要意义。要想获取光学湍流的时空分布规律并准确评估光学湍流对光学成像或激光传输系统的影响, 就必须对光学湍流进行准确的测量。以光学湍流特征参数为视角, 介绍了目前国内外探测大气湍流廓线分布的方法和研究进展, 总结了各技术方法的测量原理及优缺点。最后对拟开展的差分波前激光雷达探测大气湍流廓线的方法进行了简要介绍, 该技术具有空间分辨率高且不存在聚焦焦移的探测优势。初步的仿真研究结果表明该雷达系统对大气光学湍流廓线的探测具有可行性。
大气湍流廓线 温度起伏 折射率起伏 激光雷达 湍流效应 turbulence profile temperature fluctuation refractive index fluctuation lidar turbulence effects
Author Affiliations
Abstract
Key Laboratory of Intelligent Optical Sensing and Manipulation, College of Engineering and Applied Sciences, Nanjing University, Nanjing 210093, China
With the increasing demand for space optical communication security, space chaotic optical communication has attracted a great amount of attention. Compared with traditional space optical communication, a chaotic optical communication system has a higher bit error rate (BER) for its complex system design. In order to decrease the BER of space chaotic optical communication systems, we introduce two diffractive optical elements (DOEs) at a transmitting terminal (Tx). That is because the commonly used reflective optical antenna at Tx blocks the central part of the transmission beam, which leads to a great amount of power consumption. Introducing the DOEs into the optical subsystem at Tx can reshape the transmission beam from a Gaussian distribution to a hollow Gaussian distribution so that the block of the secondary mirror in the reflective optical antenna can be avoided. In terms of the DOE influence on communication quality, we give a BER model based on a minimum-shift-key (MSK) space uplink chaotic optical communication system to describe the DOE function. Based on the model, we further investigate the effect of the DOEs through analyzing the BER relationship versus basic system parameters based on the BER model. Both different mismatch conditions of chaotic systems and different atmospheric turbulence conditions are considered. These results will be helpful for the scheme design of space uplink chaotic optical communication systems.
chaotic-encrypted communication space uplink optical communication atmospheric turbulence effects diffractive optical element design minimum-shift-key bit error rate Chinese Optics Letters
2020, 18(7): 070601
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学,安徽 合肥 230026
利用红光激光器、3M微晶棱镜阵列反光膜和长焦高速CCD相机构建的折返路径激光成像探测系统,进行了湍流大气中1 km传输路径上的 激光光斑回波成像探测实验,同时使用激光闪烁仪实时监测湍流强度变化。首先对获得的激光回波光斑图像的强度分布进行了 直观分析,比较了在不同湍流强度下折返路径激光光斑形态的差异,接着统计计算了不同湍流强度下,光斑光强概率密度分布与 光斑图像位置和区域面积大小的关系。结果表明: 折返路径下的激光传输光强起伏概率密度函数在光斑上的各处基本都 符合对数正态分布,但在质心附近的区域符合程度更高,且符合程度与接收面积大小呈负相关。同时湍流强度对回波 光斑平面上不同位置之间、不同接收区域大小之间符合正态分布程度的差异有一定影响。
大气光学 折返路径激光传输 大气湍流效应 微晶棱镜阵列 光强分布 概率密度分布 atmospheric optics retro-reflective laser transmission atmospheric turbulence effects microcrystalline prism array intensity distribution probability density distribution 大气与环境光学学报
2018, 13(4): 241
西安工业大学光电工程学院， 陕西 西安 710032
采用光场的一阶矩和二阶矩作为评价参数，研究了偏振部分相干激光波束在斜程湍流大气传输中的漂移效应和扩展效应。根据推广的惠更斯菲涅耳原理，以椭圆偏振部分相干激光波束为研究对象，推导了斜程传输情况下波束的重心坐标、扩展半径和扩展角的表达式，数值分析了偏振波束两正交分量的相位差、方向角、波长、初始束腰半径和接收机高度对波束漂移及扩展的影响。结果表明，在确定的斜程传输距离和接收机高度下，随着偏振波束两正交分量相位差的增大，漂移效应先增大后减小，在确定的斜程传输距离下，接收机高度越高,波束的漂移效应和扩展效应越小。
大气光学 湍流效应 推广的惠更斯菲涅耳原理 偏振部分相干激光 斜程传输 中国激光
2012, 39(10): 1013001
中国科学院 安徽光学精密机械研究所 大气光学中心,安徽 合肥 230031
利用高能激光大气传输四维仿真程序,对高能激光在大气中传输时湍流热晕相互作用引起的光斑扩展进行了数值分析。得到了在不同湍流效应情况下,由热晕效应引起的焦平面上63.2%环围能量半径的光斑扩展规律以及不同光斑半径内的平均功率密度定标关系式。根据此定标关系,能够对高能激光在大气中传输的效果做出快速的预测和有效的评估。
激光大气传输 定标规律 湍流效应 热晕效应
军械工程学院 光学与电子工程系,石家庄 050003
为了分析光束传输与大气参量如大气能见度、折射率结构常数和激光自身参量如激光的波长、光束腰斑半径的关系,以高斯光束为例,推导了其远距离传输规律,采用数值模拟的方法分析了各因素对传输轴上和截面上光强分布的影响。结果表明,一旦激光发射系统的特征参量和大气传输效应的特征参量确定,就可判断激光大气传输的效果。这一结果为激光工程应用的可行性及系统参量的优化设计提供了依据。
大气与海洋光学 激光传播 高斯光束 衰减效应 湍流效应 atmospheric and ocean optics laser propagation Gaussian beams attenuation effects turbulence effects
影响激光传输效果的主要因素包括大气分子和气溶胶粒子吸收以及由散射造成的衰减效应、大气湍流引起的湍流效应和强激光加热空气造成的热晕效应。针对光纤激光的大气传输进行了研究，研究了在1080nm特定波长的光纤激光大气传输过程中的大气湍流、热晕效应、湍流热晕相互作用对光纤激光远场功率密度的影响。
大功率 光纤激光 大气传输 大气衰减 湍流 热晕 high power fiber laser laser beam atmosphere propagation atmosphere attenuation turbulence effects thermal blooming effects
中国科学院安徽光学精密机械研究所大气光学中心，安徽 合肥 230031
建议采用63．2%环围能量半径及其内平均功率密度描述激光器大气传输光斑扩展特性。通过利用数值模拟及实验观测相结合的方法，对聚焦平台光束大气传输线性效应及湍流热晕相互作用引起的光束扩展进行了大量的数值模拟及部分实验研究，建立了描述聚焦平台光束大气传输光束扩展与大气传输特征物理参量的定标关系，从而为激光工程应用的可行性及系统参量的优化设计提供依据。
大气光学 湍流效应 热晕效应 光束扩展 定标规律 atmospheric optics turbulence effects thermal blooming effects beam spreading scaling laws
中国科学院安徽光学精密机械研究所,大气光学实验室,安徽 合肥,230031
利用数值模拟方法讨论了发射系统遮拦比对均强聚焦光束湍流大气传输光斑扩展的影响.结果表明,对于均强聚焦光束湍流大气传输,在弱湍流效应条件下,光斑扩展受遮拦比影响较大;在较强湍流效应条件下,不同遮拦比光斑扩展变化趋势相同,此时远场光斑扩展主要还是受湍流效应强弱的影响.获得了常用遮拦比条件下均强聚焦光束光斑扩展和湍流效应特征参数的定标关系.
激光大气传输 湍流效应 光斑扩展 遮拦 Laser beam propagation Turbulence effects Beam spreading Obscuration 强激光与粒子束
2003, 15(12): 1181
