1 陆军工程大学石家庄校区电子与光学工程系, 石家庄 050003
2 32181部队, 石家庄 050003
3 中国卫星海上测控部, 江苏 江阴 214400
为了更准确地反映湍流的实际特征，在光波的大气传输模拟中应采用修正大气折射率谱模型.本文针对该谱模型提出了一种高精度湍流相位屏生成方法.通过改变模型在低频区的采样设置，实现了基于修正大气谱的湍流相位屏高精度生成.通过与原始FFT法、次谐波法以及改进前的优化方法相比发现，本文提出的改进后的优化方法能将相位屏低频区域的最大相对误差从改进前的6.75%减小到1%，作为比较，原始FFT法在低频区的最大相对误差为22.99%，次谐波法为16.81%.利用该方法所生成的相位屏对高斯光束在湍流中的传输进行了模拟并对光束扩展和光束漂移等二阶统计特性进行了估计.结果表明，在弱扰动条件下，模拟结果和理论预测的结果是一致的；在强扰动条件下，随着距离的增加，模拟结果与理论结果偏差越来越大，其中光束扩展与理论预测的偏差最大可达6 cm，而光束漂移可达1 cm，这是由于理论模型无法预测漂移饱和现象而导致的.在与Von-Karman谱的模拟结果比较时发现，修正大气谱估计的光束扩展大于Von-Karman谱的估计且在光束漂移的预测中比Von-Karman谱更快的达到饱和，这正是修正大气谱高波数处存在"凸起"的结果.本文提出的方法生成的相位屏能够有效的表征实际大气的折射率扰动特性.
大气湍流 湍流相位屏 长期光束扩展 短期光束扩展 光束漂移 Atmospheric turbulence Turbulence phase screen Long-term beam spread Short-term beam spread Beam wander
西安电子科技大学物理与光电工程学院, 陕西 西安 710071
在高能激光合成、空间光通信及其他激光工程中的潜在应用方面,阵列涡旋光束逐渐受到人们的关注。基于多重相位屏的数值方法,研究阵列涡旋光束在von Karman湍流中的传输特性,分析了光场的演化情况。结果表明:光束传输一段距离后发生融合,融合后的光束拓扑荷与初始光场中子光束的拓扑荷相同。考虑到光斑扩展会导致拓扑荷的损失进而使得通信效率下降,分析了不同湍流和光束参量对光束相对束宽的影响。湍流强度对相对束宽影响较大,拓扑荷等其他参量均对其有不同程度的影响,相对于单束涡旋光,阵列光束具有更小的相对束宽。
大气光学 阵列涡旋光束 相对束宽 湍流相位屏 大气湍流
南京邮电大学信号处理与传输研究院, 江苏 南京 210003
提出一种海洋湍流随机相位屏模型。以海水折射率波动谱为基础,通过功率谱反演法将海洋湍流引起海水介质的折射率变化对传输光束产生的影响等效为随机相位屏对光束的影响,并利用相位结构函数和轨道角动量光束在海洋湍流中的传输特性验证该模型的有效性。研究结果表明:在光束折射率偏移量较小时,由随机相位屏模型获得的相位结构函数仿真值与理论值可较好地吻合;由随机相位屏模型获得的轨道角动量光束传输特性也与理论分析结果相一致。
光学学报
2017, 37(12): 1201001
太原理工大学物理与光电工程学院, 山西 太原 030024
分析了基于非均匀采样功率谱反演大气湍流相位屏的算法, 该算法可进行并行处理, 并引入图形处理单元(GPU), 在不影响模拟精度的前提下有效提高了相位屏的模拟速度。利用Kolmogorov功率谱, 基于GPU技术生成大气湍流相位屏; 对相位屏的模拟精度、模拟速度和误差进行统计分析, 并与理论值进行比较。结果表明利用GPU技术模拟的大气湍流相位屏与理论值非常吻合, 具有很高的模拟速度和精度, 大幅提高了大气湍流相位屏的生成速度。
大气光学 大气湍流相位屏 功率谱 非均匀采样 图形处理单元 激光与光电子学进展
2017, 54(2): 020101
1 中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所, 江苏 南京210042
2 中国科学院天文光学技术重点实验室, 江苏 南京210042
3 中国科学院大学, 北京 100049
大尺寸、高分辨率大气湍流相位屏的快速模拟对于在实验中验证自适应光学系统的性能及控制算法的稳定性至关重要。提出了一种基于小波分析模拟大气湍流相位屏的方案。根据离散小波变换的频段分割性质, 对Von Karman型功率谱进行切割; 基于能量守恒原理, 生成不同尺度上对应频段的近似高频系数; 利用小波层之间低频系数的递推关系, 得到最高层低频系数的相关函数, 并利用相关函数法来模拟低频系数; 通过小波合成算法得到最终的大气湍流相位屏。模拟结果表明, 基于小波分析产生的大气湍流相位屏与Von Karman模型较好地吻合; 该方法的计算复杂度低, 能快速模拟大尺寸、高分辨率大气湍流相位屏。
大气光学 大气湍流相位屏 小波分析 相关函数
采用液晶空间光调制器在实验室内进行激光大气传输模拟研究。基于均匀 各向同性的Kolmogorov湍流模型,利用Zernike多项式法生成静态相位屏,利用湍流冻结法生成r0=0.1 m 和r0=0.05 m不同湍流强度下的动态湍流相位屏,并实时加载在液晶空间光调制器上。分析得到,接收端 的对数光强概率密度分布趋近于正态分布,拟合确定系数均在0.9以上；到达角起伏方差分别为σ1=7.1μrad 和σ2=7.49μrad且光斑中心集中在2个像素以内。实验结果与实际外场情况相符合,达到了较好的室内模拟效果。
液晶空间光调制器 大气传输 湍流相位屏 Zernike多项式 liquid crystal spatial light modulator atmospheric transmission atmospheric turbulence phase screen Zernike polynomials
1 北京应用物理与计算数学研究所, 北京 100094
2 中国工程物理研究院高能激光科学与技术重点实验室, 四川 绵阳 621900
3 中国工程物理研究院研究生部, 北京 100088
4 中国工程物理研究院应用电子学研究所, 四川 绵阳 621900
基于直接液冷的固体激光技术发展需要，理论研究了管道流冷却流场的湍流特征诱导出激光波前相位畸变的物理机理。利用管道湍流的统计特性，提出了一套管道湍流激光相屏的构造方法。在不可压缩流假设下研究了两种湍流热效应(输运传热和耗散产热)引起的温度脉动对光束波前的影响。结果表明，此状态下光束质量的退化主要来自于输运传热，而非耗散产热。进一步讨论了轻微密度扰动导致的波前畸变量大小。
激光技术 管道流 湍流相屏 相位畸变 中国激光
2013, 40(10): 1002008
1 山东省科学院海洋仪器仪表研究所, 山东 青岛 266001
2 中国海洋大学信息科学与工程学院, 山东 青岛 266100
准确模拟大气湍流相位屏是建立大气湍流数值模型的核心问题。从大气湍流的统计学特性入手，利用大气湍流波前相位结构函数建立了一种新的大气湍流相位屏数值模拟方法，通过随机数据元扩张对大气湍流波前畸变相位分布的尺度随机性和高频分量随机性进行了模拟，并以此为基础通过相位屏近似构建了满足Kolmogorov统计规律的大气湍流数值模型。计算结果表明，随机数据元扩张法生成的相位屏在统计特性上与理论值基本吻合，在低频部分相对于功率谱反演法有明显的提升。同时，随着相位屏网格数的增加，计算结果的高频特性逐渐呈现并逼近理论值。对于由相位屏构建的大气湍流数值模型，在此通过光强闪烁率作为判据进行了验证，结果表明对于弱湍流和中等强度的湍流，模拟结果与理论计算基本相同；对于强湍流则误差较为明显，相对误差最大可达40%。
大气光学 大气湍流相位屏 随机数据元扩张 相位结构函数
