1 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，长春 130022
2 四川师范大学 物理与电子工程学院，成都 610068
采用多层相屏法和快速傅里叶变换法数值求解热晕方程，研究了复合贝塞尔高斯（cBG）光束大气传输过程中受热晕效应的影响。研究发现：由于热晕效应造成的光强和相位畸变，cBG光束会发生相位奇点移动和轨道角动量谱展宽，并产生模式串扰。当风速较小时，大气介质吸收激光产生的热效应较强，导致光束的模式串扰也较强。对于初始角量子数差值较大的cBG光束，其相对串扰能量较小，受热晕效应影响导致的模式串扰较弱。此外，还研究了旋转cBG光束的热晕效应，该光束的旋转特性使其在传输过程中四周都能得到均匀的扩展。因此，相较于非旋转cBG光束，旋转cBG光束的光强分布比更均匀，模式串扰更小。并且，随着旋转cBG光束的径向波数差值的增大，模式串扰减弱。综上，增大初始角量子数差值以及径向波数差值可以有效降低cBG光束的模式串扰。
复合贝塞尔高斯光束 热晕效应 大气传输 模式串扰 Composite Bessel-Gaussian beams Thermal blooming Atmospheric propagation Mode crosstalk
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，安徽 合肥 230031
2 先进激光技术安徽省实验室，安徽 合肥 230037
3 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院，安徽 合肥 230026
为实现激光湍流大气传输效应的快速评估，采用数值仿真方法研究高斯光束远场长曝光光斑的定标规律。首先，对理想光束真空衍射和湍流扩展效应分别定标，结果表明光源截断强弱影响远场有效半径大小。然后，考虑衍射、初始像差、平台抖动和湍流扩展的相互作用，改进了半径平方加和假设，建立了远场63.2%环围功率半径和平均光强的定标规律模型。特别地，对于截断因子为的高斯光束，在实际激光系统特性、常用光学湍流廓线、地对空传输路径组成的参数空间中开展了数值仿真，利用遗传算法确定了模型的标度指数。结果表明基于改进的半径平方加和方法所建立的定标规律模型精度有了显著提升。定标规律模型与数值仿真的结果对比表明，真空传输远场半径的平均相对偏差为1.55%，湍流大气传输远场半径和平均光强的平均相对偏差分别为1.92%和3.80%。
大气光学 大气传输 高斯光束 定标规律 精度 中国激光
2023, 50(22): 2205001
强激光与粒子束
2023, 35(4): 041007
1 陆军航空兵学院, 北京 101121
2 中国人民解放军69036部队, 新疆 库尔勒 841000
湍流引起的恒定相位波前随机起伏会使大气通道波前到达角连续变化。 研究了在倾斜大气湍流通道中非Kolmogorov湍流作用下的新的平面波和球面波到达角模型, 其特征在于在1/l0附近的高波数下上升很小。湍流内外尺度对不同斜链路到达角的影响不同: 下行到达角起伏小于上行到达角起伏, 到达角起伏随着内外尺度的增大而增大, 随着接收机孔径的增大而显著减小。该结果将为卫星激光通信之类的相关应用提供一定参考。
卫星激光通信 大气传输 到达角 湍流 斜程链路 satellite laser communication atmospheric propagation angle of arrival turbulence slanted path
四川师范大学物理与电子工程学院，四川 成都 610068
实际高能激光器(如半导体激光器、光谱合束系统)出射的激光存在椭圆分布的现象。高能激光在大气中传输时会遭遇非线性热晕效应，大气热晕效应对椭圆高斯光束传输特性的影响还未见报道。用解析和数值模拟方法研究了风控热晕下椭圆激光光束质量的优化问题，推导出了热畸变扭曲参数的解析公式，并证明了其正确性。研究表明：由于椭圆光束像散特性，大气热晕效应对其传输特性的影响与风向密切相关。当源平面处迎风方向的束宽越大(光斑面积相等)时，聚焦椭圆高斯光束受热晕效应的影响越弱，靶面光斑对称性越好，能量集中度越高，即靶面光束质量越好。因此，在实际工作中，聚焦椭圆高斯光束的短轴沿着大气的总体风向更有利于减弱热晕效应。并且，聚焦椭圆高斯光束达到稳态热晕的时间与源平面处沿风方向的束宽成正比。研究结论对高能激光大气传输的应用具有理论指导意义。
大气光学 大气传输 热晕效应 椭圆高斯光束 光束质量
1 中国科学院合肥物质科学研究院, 中国科学院大气光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 先进激光技术安徽省实验室, 安徽 合肥 230037
3 中国人民解放军海军研究院, 北京 100055
高能激光在实际大气中的传输是一个涉及到光传播机理、大气光学特性以及激光与大气相互作用的复杂过程, 评估高能激光大气传输性能, 不仅需要开展激光传输机理研究, 建立高能激光大气传输数理模型, 还需要对实际传输路径中的大气光学特性进行测量和分析。针对高能激光系统工程应用的迫切需求, 简要介绍了高能激光大气传输性能评估研究的方法和发展现状, 重点讨论了影响高能激光大气传输评估准确性的大气参数测量不确定性问题, 指出了高能激光大气传输评估应重点关注的研究方法、测量的大气参数及评估技术发展的趋势。
激光技术 大气传输 高能激光 传输效应评估 不确定性研究 laser technology atmospheric propagation high energy laser evaluation of propagating performance uncertainty analysis
1 北京理工大学光电学院, 北京 100081
2 信息光子技术工业和信息化部重点实验室, 北京 100081
基于von Karman谱模型采用分步相位屏幕方法,仿真模拟不同阶次径向偏振矢量光束在Kolmobarov大气湍流中的传输特性,并对其Stokes矢量、闪烁指数、光束重心径向偏移量进行分析。研究发现:大气湍流下径向偏振矢量光束的光强分布环形特征的最大识别距离大于标量涡旋光束,其闪烁指数与光束重心径向偏移量都小于标量涡旋光束;高阶光束能在更远的距离保持环形特征,具有更小的闪烁指数与光束重心径向偏移量;径向偏振矢量光束的Stokes矢量图像会发生扩散与畸变。仿真结果表明,大气湍流下径向偏振矢量光束比标量涡旋光束具有更好的大气湍流抗性,高阶光束的部分性质优于低阶光束。
大气光学 矢量光束 大气湍流 闪烁指数 大气传输 光学学报
2020, 40(11): 1101001
为比较两种不同类型涡旋光束在大气湍流中的传输特性,利用菲涅耳衍射积分公式,推导了涡旋光束在湍流大气中的传输表达式。采用随机相位屏法建立了涡旋光束在大气湍流中的传输模型,计算了不同参数下涡旋光束的强度分布以及光束质量。结果表明:传输距离、拓扑荷数和湍流强度都会对涡旋光束光束质量产生影响。其中,传输距离对超高斯涡旋光束的光束质量的影响更大,而拓扑荷数则对高斯涡旋光束的光束质量的影响更明显。
大气光学 大气传输 大气湍流 涡旋光束 传输特性
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 中国人民解放军海军研究院, 北京 100055
激光在实际大气中的传输效果不仅与其自身传输机理有关, 还与大气因素密切相关, 因此, 准确评估激光大气传输的效果,不仅需要开展激光传输机理的研究, 建立激光大气传输数理模型, 还需要对实际传输过程中的大气光学特性进行测量、分析和预测。鉴于实际大气环境的复杂性及多因素耦合的制约, 激光大气传输的机理研究大都采用大气参数可控的物理实验平台和数值仿真软件平台进行研究, 而大气光学特性的研究则在大量实地测量分析的基础上, 重点发展基于物理相关性分析和数学模型构建的光学湍流模式化表征研究。简要介绍了国内外高能激光大气传输性能评估技术的发展情况, 面向高能激光系统未来的实际应用, 指出了其发展趋势。
激光大气传输评估 湍流 热晕 laser atmospheric propagation evaluation turbulence thermal blooming 红外与激光工程
2019, 48(12): 1203002
Author Affiliations
Abstract
1 State Key Laboratory of Integrated Service Networks, Xidian University, Xi’an 710071, China
2 School of Physics and Optoelectronic Engineering, Xidian University, Xi’an 710071, China
3 School of Electronic Engineering, Xidian University, Xi’an 710071, China
Vortex splitting is one of the main causes of instability in orbital angular momentum (OAM) modes transmission. Recent advances in OAM modes free-space propagation have demonstrated that abruptly autofocusing Airy vortex beams (AAVBs) can potentially mitigate the vortex splitting effect. However, different modes of vortex embedding will affect the intensity gradients of the background beams, leading to changes in the propagation characteristics of vortex beams. This study presents the unification of two common methods of coupling autofocusing Airy beams with vortices by introducing a parameter (m), which also controls the intensity gradients and focusing properties of the AAVBs. We demonstrate that vortex splitting can be effectively reduced by selecting an appropriate value of the parameter (m) according to different turbulence conditions. In this manner, the performance of OAM-based free-space optical systems can be improved.
010.1290 Atmospheric optics 010.1300 Atmospheric propagation Chinese Optics Letters
2019, 17(4): 040101
