长春理工大学物理学院吉林省固体激光技术与应用重点实验室，吉林 长春 130022
基于Rytov近似，理论推导了完美涡旋光束（PVB）经过大气湍流水平信道后的螺旋相位谱解析表达式，研究了大气湍流中光束波长、半环宽、发射处轨道角动量（OAM）模态、光束半径、近地面折射率结构常数以及湍流系数对OAM模态探测概率和串扰概率的影响。结果表明：随着发射处OAM模态、传输距离、光束半径、近地面折射率结构常数以及湍流系数的增加，经大气湍流传输后的探测概率下降；随着光束波长的增加，经大气湍流传输后的探测概率增加。此外，PVB在近场的探测概率几乎不随发射处OAM模态变化，而当光束传输到远场时，探测概率随发射处OAM模态变化明显，这是因为PVB传输到远场变成类贝塞尔光束，其光束半径随发射处OAM模态变化明显。
大气光学 完美涡旋光束 轨道角动量 湍流大气 螺旋相位谱
1 长治学院 物理系, 山西 长治 046011
2 长治学院 光场调控研究所, 山西 长治 046011
3 西安邮电大学 通信与信息工程学院, 陕西 西安 710061
光束在湍流大气中传输, 由于大气湍流的存在, 光束的波前随着传输距离的增加将会破坏, 不利于在终端对光束携带信息的提取。论文基于广义惠更斯-菲涅耳原理, 以携带有一端被限制的刃型位错和光涡旋的高斯光束为研究对象, 探究了湍流大气传输中一段被限制的刃型位错和光涡旋的演化行为。研究发现, 由于刃型位错的弯曲度不同, 随着光束传输距离的增加, 一端被限制的刃型位错消失或者消失后演化为光涡旋。随着传输距离的继续增加, 光束波前将会出现由大气湍流诱导产生的光涡旋。当光束传输足够远, 大气湍流诱导产生的光涡旋会和刃型位错演化的光涡旋发生湮灭, 或者大气湍流诱导的光涡旋之间发生湮灭。光束本身携带的光涡旋在整个传输过程中稳定传输。论文研究结果在光通信中具有重要的应用。
光涡旋 刃型位错 湍流大气 拓扑荷 optical vortex edge dislocation turbulent atmosphere topological charge
强激光与粒子束
2021, 33(3): 031002
华侨大学信息科学与工程学院, 福建省光传输与变换重点实验室, 福建 厦门 361021
介绍了激光光束经过湍流大气以及散射介质的传输特性。当激光在湍流大气中传输时, 湍流大气的扰动会影响光束的传输特性。此时, 激光光束仍然保持光束的特性, 因此可以应用扩展的 Huygens-Fresnel 衍射积分研究激光在湍流大气中的传输特性。研究表明, 当光束在湍流大气中传输时, 光束的光斑大小、偏振态、空间相干度、闪烁因子等参数发生了变化。这些参数的变化除了与大气湍流性质有关外, 还与光束的特性有关。因此选择合适的入射光束可以减低湍流大气对光束传输的影响。当相干激光经过散射介质后, 会呈现散斑。通过调控入射激光的波前, 可以使得激光经过散射介质后聚焦。介绍了实现激光经过散射介质聚焦的技术, 包括基于迭代反馈的波前整形技术、传输矩阵, 以及数字相位共轭技术等。最后, 展望这些技术应用于激光在实际大气中的传输, 实现激光穿云透雾的目标。
激光技术 湍流大气 散射介质 激光光束 传输 波前调控技术 aser technology turbulent atmosphere scattering medium laser beam propagation wavefront shaping
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 激光与物质相互作用国家重点实验室，吉林 长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100049
3 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 空间光学研究二部，吉林 长春 130033
光纤激光相干合成是获得高功率高光束质量输出较为有效的途径，而湍流大气是制约其应用与发展的关键因素之一。本文重点研究了大气格林伍德频率对基于随机并行梯度下降算法（SPGD）相干合成系统校正效果的影响。首先，在静态大气条件下，分析了不同湍流强度对相干合成系统校正效果的影响；然后，利用数值计算生成一组旋转的符合Kolmogorov统计规律的相位屏模拟湍流大气，对在不同大气格林伍德频率下相干合成系统的校正效果进行研究；最后，搭建两路光纤激光相干合成实验平台，进行实验验证。仿真和实验结果表明，在系统的控制算法迭代频率（350 Hz）一定时，随着大气格林伍德频率的增加，湍流大气对光束的相位和光强的扰动加剧，使得相干合成系统的合成效果变得越来越差。
相干合成 SPGD算法 湍流大气 相位屏 coherent beam combining SPGD algorithm turbulent atmosphere phase screen
国防科技大学 前沿交叉学科学院，湖南 长沙 410073
光纤激光阵列光束相干合成可在提升输出激光总功率的同时保持良好的光束质量，进而提升激光亮度，是激光技术领域的研究热点。目前光纤激光相干合成实验已在实验室内获得了大量、良好的验证，然而在真实湍流大气环境下的长距离传输实验却开展较少，相干合成技术对湍流大气引入的相位畸变的校正能力尚需实验验证。目标在回路技术是实现长距离湍流大气环境下阵列光束到靶相干合成的重要方案，是近年来国际上的重点研究方向。基于自适应光纤准直器阵列和共形发射系统，搭建了6路光纤激光目标在回路相干合成系统，成功校正了湍流大气带来的相位畸变，实现了公里级作用距离、湍流大气环境下阵列光束在目标表面的相干合成。
相干合成 光纤激光 目标在回路 湍流大气 共形发射 coherent beam combining fiber laser target-in-the-loop turbulent atmosphere conformal projection 红外与激光工程
2019, 48(10): 1005007
1 中国科学技术大学地球和空间科学学院,安徽 合肥 230026
2 安徽建筑大学数理学院,安徽 合肥 230601
为研究不同气象条件下近地面层湍流大气对光传输到达角起伏的影响,在校园内一块较平坦草地上开展了光传输实验。 采用半导体激光器作为光源,传输60 m至接收端,使用焦距为1300 mm的望远镜接收后由CCD相机采集光点灰度图片。 根据灰度图片上光点位置计算传输路径上的大气湍流折射结构常数C2n以及垂直、水平两个方向到达角 (Angle of arrival, AoA)起伏方差的比值。同时测量了传输路径附近的温度、风速等气象数据,计算稳定 度参数Richardson数。结果表明, Richardson数大于临界值0.25时,垂直、水平到达角起伏方差比值均 大于1.0; Richardson 数小于0.25时,垂直、水平到达角起伏方差比值在1.0左右起伏。由此可以看到, 稳定层结条件下,湍流表现为各向异性特征;不稳定层结条件下,湍流表现为各向同性特征。
近地面层 湍流大气 到达角起伏 大气稳定度 各向同性 各向异性 surface layer turbulent atmosphere AoA fluctuation atmospheric stability isotropy anisotropy 大气与环境光学学报
2019, 14(5): 330
为获取光学目标更多的特征信息、达到目标识别的目的, 文中利用不同目标回波特征受到湍流大气调制作用的差异性, 将目标回波的闪烁效应作为目标识别的手段之一。采用功率谱反演法生成随机相位屏模拟双程湍流大气扰动, 利用硬边光阑展开为有限级数和的形式以及Collins衍射积分公式推导角反射器、镜头目标和朗伯漫反射体的反射光的复振幅分布, 通过原路返回处的光强分布得到反射光的闪烁指数。分析了湍流强度和目标尺寸对上述三种目标回波的闪烁指数的影响, 并进行了实验验证。研究结果表明: 光学目标与漫反射目标回波的闪烁指数差别明显, 整体相差一个数量级, 随着口径的增大, 光学目标回波闪烁指数整体上呈现减小的趋势; 角反射器和镜头目标回波的闪烁指数在数值上差别不明显, 但可以通过多组测试结果绘制回波闪烁指数随时间的变化曲线的方法将二者进行大致的区分。该方法可以快速地从漫反射背景中识别出光学目标, 同时也为光学目标的分类识别提供了参考价值。
闪烁指数 光学目标 漫反射 湍流大气 猫眼效应 scintillation effect optical target diffuse reflection turbulent atmosphere cat eye effect 红外与激光工程
2018, 47(3): 0326002
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 中国科学技术大学研究生院科学岛分院, 安徽 合肥230026
3 光电对抗测试评估技术重点实验室, 河南 洛阳471003
采用多层相位屏的数值模拟方法,定量研究了几种典型像差对聚焦高斯光束在湍流大气中传输的轴闪烁特性的影响。研究结果表明,像散和慧差像差对远场光斑的轴闪烁分别具有较强的抑制和促进作用,较强的慧差和像散能分别提前和延后光斑轴闪烁饱和的出现。湍流较弱时的聚焦高斯光束大气传输光强起伏概率严重,湍流越强,光强起伏概率越接近于对数正态分布,且基本满足偏斜度为负,陡峭度为正。弱、中等湍流强度下,像差权重较大时,光强起伏概率分布主要受像差影响;像差权重系数较小时,光强起伏概率分布主要受湍流效应的影响,且各像差主要影响光强较弱区域的起伏分布情况。强湍流强度下,湍流效应对光强起伏概率分布占主要作用,趋近于对数正态分布。
大气光学 激光传输 轴闪烁 数值模拟 像差 湍流大气 光学学报
2017, 37(11): 1101001
