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
红外与激光工程
2024, 53(2): 20230441
1 西安邮电大学电子工程学院,陕西 西安 710121
2 西安精密机械研究所,陕西 西安 710077
为了研究粗糙动态海平面对折射偏振光的影响,利用Elfouhaily海浪谱和快速傅里叶变换生成随机动态海面,建立了激光跨粗糙空气-海水界面的偏振光传输模型。研究了不同风速、不同距离、不同光发散角下激光穿过空气-海水信道后的偏振特性和闪烁指数。仿真结果表明,风速越大,接收偏振度越小,相同条件下,圆偏振光偏振度远大于线偏振光;信道距离越长,偏振度越低;风速和链路距离变大时,闪烁指数也变大;当光束发散角减小时,闪烁指数变大;反之闪烁指数减小。验证了所提模型的可行性。本文研究为空气-海水光通信提供了理论依据。
水下无线光通信 Elfouhaily谱 跨介质 偏振光 闪烁指数
1 长春理工大学光电工程学院,吉林 长春 130022
2 吉林大学通信工程学院,吉林 长春 130012
因斯-高斯(IG)光束在复杂信道传输中具有较好的抗干扰能力。为此设计并搭建了基于模拟海洋湍流信道的激光通信实验平台,详细研究IG光束在海洋湍流信道下光束信号的传输及通信特性。首先实验对比研究了不同海洋湍流强度条件下,IG光束和高斯光束传输后的光强闪烁指数、质心漂移和探测器接收功率情况;其次通过调制0.5~3 MHz频率的方波信号,进一步研究两种光束传输后调制信号波形失真特性;最后进行IG光束和高斯光束的7.5 Mbit/s通信性能对比实验。实验结果表明:IG光束的闪烁指数、质心漂移、功率抖动均优于高斯光束,且随着海洋湍流强度增加,IG光束闪烁指数和质心漂移改善能力增强,功率抖动改善能力降低。在不同模拟海洋湍流中,相同频率的IG光束调制方波波形失真度整体低于高斯光束。在误码率为3.8✕10-3(前向纠错阈值)时,IG光束在不同注水高度信道、不同温度信道和不同盐度信道中的通信性能比高斯光束分别提高了0.8 dB、4 dB和2.5 dB。该实验结果可以为IG光束应用于水下激光通信提供参考。
因斯-高斯光束 海洋湍流 闪烁指数 质心漂移 功率抖动 波形失真度 光学学报
2023, 43(18): 1899916
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,合肥 230031
2 国防科学技术大学 电子对抗学院 红外与低温等离子体安徽省重点实验室,合肥 230037
3 先进激光技术安徽省实验室,合肥 230037
4 合肥工业大学 物理学院,合肥 230601
5 中国科学技术大学研究生院科学岛分院,合肥 230026
工作于近地空间的星敏感器,其观测过程将不可避免受到天空背景辐射、大气湍流以及大气折射的影响。本文是星光成像的大气影响系列文章之二,建立了湍流大气星光传输模型,研究了恒星成像的大气湍流影响。基于ERA5数据和光学湍流预报方法得到大气湍流参数廓线,计算了典型地区不同时刻及观测条件下星光的闪烁指数,对比星光闪烁的理论值,验证了数值计算的可靠性。研究了湍流大气中星光传输的闪烁效应及星像质心的抖动特性,得到了典型观测高度及观测天顶角情况下的恒星抖动量。研究表明:恒星抖动的到达角和到达角起伏与星光的闪烁指数呈正相关关系,提升星敏感器的观测高度、减小星敏感器的观测天顶角,能一定程度上减轻星光成像的大气湍流影响。
星敏感器 恒星成像 大气湍流 闪烁指数 到达角起伏 Star sensor Star imaging Atmospheric turbulence Scintillation index Arrival angle fluctuation
1 闽南师范大学物理与信息工程学院,福建 漳州 363000
2 闽南师范大学福建省光电材料与器件应用行业技术开发基地,福建 漳州 363000
在明确发光二极管(LED)器件输出动态光通量、负载电功率、发光效率、热功率系数之间关系的基础上,将理论模型拓展至包含LED驱动控制器的参数(频率、增益系数、电压幅值)以及散热器温度,从而通过调节LED器件参数以及驱动特性,控制白光LED照明系统最佳工作点的范围,进而分析照明系统闪烁指数、闪烁百分比、电压幅值、频率和LED光源参数之间的内在规律。提出一种基于纹波特性的白光LED器件动态光通量特性理论模型,该理论模型可准确预估白光LED照明系统在不同纹波特性下的动态照度变化、闪烁指数、闪烁百分比。通过测试不同工作条件下LED照明器件的照度、闪烁指数以及闪烁百分比,并与计算值进行比较,二者的平均误差为7.1%,计算结果和测量结果具有良好的一致性,证明了所提出的基于纹波特性动态及稳态光通量模型的有效性。由测试结果可知,LED光源在不同工作条件下闪烁指数以及闪烁百分比发生明显变化,这意味着需要通过合理地控制LED光源和驱动系统的参数,使照明系统的闪烁指数和闪烁百分比变化最小,从而满足IEEE国际标准对闪烁效应的要求。
光学器件 动态光通量模型 纹波电流 闪烁指数 闪烁百分比 白光发光二极管 光学学报
2023, 43(14): 1423001
1 西安理工大学自动化与信息工程学院,陕西 西安 710048
2 陕西理工大学物理与电信工程学院,陕西 汉中 723001
3 陕西省智能协同网络军民共建重点实验室,陕西 西安 710126
通过实验研究了拉盖尔-高斯涡旋光束及其叠加态在水下湍流中的传输特性,充分考虑了不同温度差和盐度差的水流扩散产生的湍流对4种光束(高斯光束,阶数为0、拓扑荷数为6的拉盖尔-高斯涡旋光束,阶数为1、拓扑荷数为2与阶数为0、拓扑荷数为6的拉盖尔-高斯涡旋光叠加,阶数为1、拓扑荷数为2与阶数为0、拓扑荷数为10的拉盖尔-高斯涡旋光叠加)传输的影响,并对4种光束的漂移方差和闪烁指数进行深入讨论与分析。实验结果表明:随着湍流强度的增大,4种光束的漂移方差和闪烁指数都增大,相比其他3种光束,拉盖尔-高斯涡旋光束的漂移方差和闪烁指数较小;在较弱的湍流强度下,两种涡旋光叠加态的漂移方差和闪烁指数与拉盖尔-高斯涡旋光束相近。
物理光学 拉盖尔-高斯涡旋光束 涡旋光叠加态 水下湍流 闪烁指数
大连理工大学信息与通信工程学院,辽宁 大连 116024
首先根据强波动理论,从海水湍流折射率的光功率谱函数出发,推导出了既适用于强湍流信道、也适用于弱湍流信道的闪烁指数解析式。基于统一的Málaga模型,推导出了水下无线光通信系统的平均误码率、平均信道容量和中断概率表达式。仿真结果表明:海水的温度和盐度的随机波动始终对闪烁指数有着显著的影响;当海水的平均温度高于20 ℃时,局部平均温度的改变对于闪烁指数影响甚微;当湍流的内尺度小于0.001 m时,可以认为海水信道处于强湍流状态;海水强湍流信道下的无线光通信系统的平均误码率、平均信道容量和中断概率性能均比海水弱湍流信道下差。
光通信 海水无线光通信 强湍流信道 闪烁指数 强波动理论 光学学报
2022, 42(18): 1801001
中国计量大学光学与电子科技学院, 浙江 杭州 310018
光束漂移会造成涡旋光功率波动和闪烁,是影响自由空间光通信、传感以及远距离成像的一个重要因素。通过调控多模涡旋态和模拟扰动环境,实验研究了非相干叠加和相干叠加多模涡旋光的漂移现象。通过测量轨道角动量(OAM)谱中信号OAM模式的功率波动和闪烁指数,发现高阶涡旋光束比低阶涡旋光束具有更优的抗功率波动和抗闪烁表现;多模涡旋光束优于单模涡旋光束;非相干叠加的多模高阶涡旋光束优于相干叠加的多模高阶涡旋光束。对比实验的结果表明:相较于其他几种涡旋光束,非相干叠加的多模高阶涡旋光束具有最优的抗闪烁和抗功率波动能力,更适合在光束漂移的扰动环境中使用。所得研究结果对基于涡旋光的远距离传输和通信具有重要参考价值。
物理光学 涡旋光 光束漂移 闪烁指数 功率波动 相干性