光電子學(xué)與激光技術(shù)

部分相干平頂光束在非Kolmogorov 大氣湍流中 湍流距離的變化

黃永平，段志春，賀也洹，等

摘要：目的：平頂光束指的是強(qiáng)度分布均勻的光束，其獨(dú)有的近場(chǎng)分布均勻、遠(yuǎn)場(chǎng)能量集中的特性，引起眾多研究者的興趣,并將其應(yīng)用到諸多領(lǐng)域，如激光材料加工、慣性約束聚變、測(cè)距與雷達(dá)等。當(dāng)激光束在大氣中長(zhǎng)距離傳輸時(shí)，受到大氣湍流效應(yīng)的影響會(huì)導(dǎo)致激光傳輸性能明顯降低，傳輸質(zhì)量變差。然而，激光束在傳輸過(guò)程中存在一個(gè)受湍流影響很小的傳輸范圍，被稱(chēng)為湍流距離。如果湍流距離越大，則表明光束受湍流的影響越小，越有利于光束傳輸。大量的研究表明，部分相干光在大氣湍流中傳輸受到湍流的影響要比完全相干光弱。為了說(shuō)明激光束在非Kolmogorov（非K）大氣湍流中湍流距離的主要影響因素及規(guī)律，本文以部分相干平頂光束為例來(lái)研究激光束在非K 大氣湍流中湍流距離的變化。方法：本文基于廣義惠更斯-菲涅爾原理得到部分相干平頂光束在非K 大氣湍流中的交叉譜密度，進(jìn)而給出部分相干平頂光束傳輸?shù)狡矫鎧 上的光強(qiáng)分布及其二階矩、M2因子和相對(duì)M2因子。在此基礎(chǔ)上，利用文獻(xiàn)中基于相對(duì)M2因子定義的湍流距離，當(dāng)相對(duì)M2因子的值為時(shí)所對(duì)應(yīng)的傳輸距離為湍流距離，經(jīng)過(guò)繁瑣的推導(dǎo)得出部分相干平頂光束在非K 大氣湍流中傳輸?shù)耐牧骶嚯x的解析表達(dá)式，并通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算分析說(shuō)明部分相干平頂光束在非K 大氣湍流中湍流距離隨各參數(shù)的變化規(guī)律。結(jié)果：從湍流距離表達(dá)式可看出，部分相干平頂光束在非K大氣湍流中的湍流距離由非K大氣湍流參數(shù)即廣義指數(shù)參數(shù)a、湍流內(nèi)外尺度和部分相干平頂光束在z＝0 處的初始二階矩即光束參數(shù)（包含光束階數(shù)、波長(zhǎng)、相干度以及束腰寬度）決定。當(dāng)平頂光束階數(shù)N＝1 時(shí)，可簡(jiǎn)化為GSM 光束在非K 大氣湍流中湍流距離的表達(dá)式；當(dāng)光束的相干參數(shù)b→∞，可簡(jiǎn)化為完全相干平頂光束在非K 大氣湍流中湍流距離的表達(dá)式。通過(guò)對(duì)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的分析可知，其一，部分相干平頂光束在非K 大氣湍流中的湍流距離隨廣義指數(shù)參數(shù)的增加呈現(xiàn)非單調(diào)變化，即先減小到最小值而后再增加，并且，光束階數(shù)N 越大，在相同條件下，其湍流距離的值越大，表明部分相干平頂光束比GSM 光束受到非K 湍流影響要小；其二，湍流距離隨波長(zhǎng)的增加而增大，表明長(zhǎng)波長(zhǎng)光束受湍流的影響小；其三，在相同條件下，光束的束腰寬度越小的部分相干平頂光束的湍流距離更大；其四，湍流距離還隨湍流內(nèi)尺度的增加而增大，隨外尺度的增加而減小，但外尺度較大時(shí)，這種變化趨勢(shì)并不明顯。結(jié)論：研究結(jié)果表明，部分相干平頂光束在非K 大氣湍流中的湍流距離隨廣義指數(shù)參數(shù)的增加先減小達(dá)到最小值后再增大，隨部分相干平頂光束的階數(shù)和波長(zhǎng)的增加而增大，隨光束相干性的減弱而增大，隨光束束腰的增加呈現(xiàn)先減小后增大的非單調(diào)變化。本文所得研究結(jié)果將有利于更好地研究湍流對(duì)部分相干平頂光束、完全相干平頂光束以及GSM 光束在非K 弱湍流大氣中沿水平路徑傳輸?shù)挠绊懀瑸槠巾敼馐诜荎 湍流大氣中傳輸?shù)膽?yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。

來(lái)源出版物：中國(guó)激光,2014,41(9):0913002

入選年份：2017