1 江苏科技大学 理学院, 江苏 镇江 212000
2 浙江省光电探测材料及器件重点实验室, 浙江 宁波 315211
3 宁波大学 高等技术研究院, 浙江 宁波 315211
相较于单涡旋光束，涡旋阵列光束能够扩充信息的传输容量，研究其传输特性对其光通信应用具有重要意义。本文选取阶数为n的螺旋因斯-高斯(HIGn,n)模式，采用海上大气折射率变换的功率谱，模拟海面大气湍流。基于相位屏法研究了一维阵列涡旋光束在海面大气湍流中光强、相位、闪烁因子和质心漂移的变化情况。结果表明：（1）HIGn,n模式的闪烁因子和质心漂移标准差随湍流强度以及大气湍流内尺度的增加而增加；（2）n为奇数的HIGn,n模式的闪烁因子随着阶数的增大而减小，且高于n为偶数的HIGn,n模式；（3）阶数n>1的HIGn,n模式比LG0,1模式具有更好的稳定性；（4）阶数越高，HIGn,n模式的质心漂移标准差越小。其次，选取线性阵列涡旋光束（LAVBs）进行对比，研究得出虽然LAVBs比HIG光束具有更好的传输性能，但由于HIG光束具有独特的结构，故可适用于不同的应用场景。最后，分析了椭圆参量和椭圆环数对HIG模式传输的影响，结果表明适当地增大椭圆参量或椭圆环数有助于提高HIG模式的抗湍流能力。本文研究结果对涡旋光束的海上应用具有指导意义。
大气光学 螺旋因斯高斯模式 阵列涡旋光束 闪烁因子 湍流 atmospheric optics helical ince-gaussian mode array vortex beam scintillation index turbulence
西安理工大学自动化与信息工程学院，陕西 西安 710048
阵列光束在大功率激光合成、远距离通信、高质量输出等方面发挥着重要作用。本文利用相位屏法模拟海洋湍流，研究了径向阵列涡旋光束与矩形阵列涡旋光束在具有外尺度的不稳定分层海洋中的传输特性，并将其与单涡旋光束的传输特性进行了对比，分析了三种涡旋光束在海洋湍流中的光强与相位分布。结果表明：两种阵列涡旋光束传输一段距离后不再保持初始的阵列分布，子光束之间会相互影响，产生了干涉条纹。在相同的条件下，单涡旋光束的漂移比两种阵列涡旋光束大，束宽比两种阵列涡旋光束小，而且径向阵列涡旋光束的漂移比矩形阵列涡旋光束大，束宽比矩形阵列涡旋光束小。在较远距离处，单涡旋光束的闪烁指数比两种阵列涡旋光束大，而且矩形阵列涡旋光束的闪烁指数比径向阵列涡旋光束大；在较强湍流和远距离处，三种涡旋光束的束宽逐渐减小。
光通信 阵列涡旋光束 闪烁指数 湍流相位屏 海洋湍流 光束漂移
1 成都师范学院物理与工程技术学院，四川 成都 611130
2 宜宾学院四川省计算物理高校重点实验室，四川 宜宾 644000
类比相干光束中刃型位错概念，提出一种新的相干奇点——相干刃型位错。对高斯-谢尔模光束携带的相干涡旋和刃型位错在海洋湍流中的相互作用进行研究。基于扩展的惠更斯-菲涅耳原理，得到了该光束在海洋湍流环境下的交叉谱密度表达式，并将其用于研究相干涡旋和刃型位错的相互作用。研究发现：相干刃型位错在相干涡旋的作用下发生断裂并转化成相干涡旋。在光束传输过程中，光场中有单个或成对相干涡旋的产生或湮灭现象发生。二者之间的作用特点不仅与传输距离有关，还受光束初始参数和海洋湍流参数的影响。二者之间的作用规律与自由空间光涡旋和刃型位错的作用规律不同。
激光光学 奇点光学 部分相干光束 相干奇点 相干涡旋 海洋湍流
1 苏州科技大学物理科学与技术学院, 江苏 苏州215009
2 江苏省微纳热流技术与能源应用重点实验室, 江苏 苏州215009
3 江南大学理学院, 江苏 无锡214122
4 中国航天科技集团公司上海卫星工程研究所, 上海 201109
遥感卫星在**和民用探测等领域发挥着重要作用，而大气湍流严重影响高分辨率遥感卫星的成像质量。本文重点研究了遥感卫星对地探测时，相机口径、卫星轨高和大气湍流强度对空间相机成像质量的影响。首先，基于球面波传输模型和Kolmogorov湍流理论，针对空对地探测湍流波前进行仿真。然后，分析畸变波前随相机口径、卫星轨高和大气相干长度的变化规律，并推导出普适公式。在此基础上，进一步推导出空间相机成像分辨率随相机口径、卫星轨高和大气相干长度变化的计算公式。最后，研究了大气湍流对空间相机调制传递函数（MTF）的影响，并以MTF=0.15为基准，仿真分析了MTF相对误差随相机口径、卫星轨高和大气相干长度的变化规律。本研究为高分辨率遥感卫星的设计、分析和评估提供理论依据。
高分辨率卫星 大气湍流 空对地观测 成像质量 high-resolution satellite atmospheric turbulence space-to-ground detection imaging quality 红外与激光工程
2024, 53(2): 20230441
1 中国科学院空天信息创新研究院，北京 100094
2 中国科学院大学，北京 100049
3 海南空天信息研究院海南省地球观测重点实验室，海南 文昌 571300
推导了不稳定分层海洋湍流下厄米-高斯光束闪烁指数的理论公式，以及考虑海洋湍流和瞄准误差综合影响下UWOC系统信道系数的概率分布函数，进一步推导了系统主要性能参数即误码率、信道容量和中断概率的理论计算公式，并采用高斯-厄米正交积分近似方法求得3个性能参数的闭合表达式，仿真分析了不稳定分层和稳定分层湍流情况下，光束模数、传输距离、海洋湍流参数和瞄准误差对系统的平均误码率、平均信道容量和中断概率的影响。结果表明：相比于稳定分层，不稳定分层的系统计算误差更小；当盐度波动占主导时，系统性能更好；随着均方温度耗散率增大、湍流动能耗散率减小、瞄准误差增大，系统信道容量减小，中断概率增大。本研究结果可为厄米-高斯光在水下光通信领域的应用提供参考。
海洋光学 厄米-高斯光束 不稳定分层 海洋湍流 水下光通信
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 中国科学院南京天文仪器研制中心，江苏 南京 210042
2 中国科学技术大学，安徽 合肥 230022
3 中科院南京天文仪器有限公司，江苏 南京 210042
太阳望远镜内部因太阳辐射作用使镜面升温，镜面上方产生局部大气湍流，导致镜面视宁度不佳，从而造成像质的严重衰减。文中基于温度梯度和气体流动导致固体-流场的耦合作用，提出镜面视宁度效应的形成机制，建立湍流大气光学产生镜面视宁度效应的理论，利用1 550 mm大口径双曲面镜的实验数据推导并验证镜面视宁度的实验模型，并对太阳望远镜主镜温控目标进行确定。在自然对流和强迫对流两种条件下，不同环境风速时镜面温差改变对镜面视宁度的影响。结果表明：镜面温差和环境风速与镜面视宁度相关性很强，增加主动通风可以降低镜面视宁度。温差是4 ℃条件下，自然对流时镜面视宁度为 1.43″；温差是 3 ℃条件下，0.2 m/s 强迫对流时镜面视宁度为 0.44″，1 m/s 强迫对流时镜面视宁度为 0.27″。根据镜面视宁度效应容差标准，在0.2 m/s强迫对流条件下，镜面-空气温差应控制在0.2 K以下；在1.0 m/s强迫对流条件下，镜面-空气温差应控制在1 K以下。此研究成果旨在揭示空气湍流的形成机理与传播规律及其对望远镜像质退化影响规律，为提升大口径太阳望远镜工作分辨率奠定基础。
大气光学 镜面视宁度 大气湍流 太阳望远镜 弗劳德数 atmospheric optics mirror seeing atmospheric turbulence solar telescope froude number 红外与激光工程
2024, 53(1): 20230412
