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
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 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
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
研究光束在海洋湍流中的传输特性尤为重要。为了更贴近实际情况，人工搭建了能控制水下湍流强度和盐度的装置来研究涡旋光束和高斯光束在水下湍流中的传输特性。结果表明：相比于未添加海盐的水下湍流，光束在增添海盐的水下湍流中传输光斑会更加弥散，光强会更弱。无论是强湍流还是弱湍流，m=2的涡旋光束在盐度为4.35‰的水下湍流中的闪烁因子都大于其在盐度为2.42‰的水下湍流中所对应的闪烁因子。另外，m=2的涡旋光束传输到相同的距离时，其闪烁因子随着水下湍流的盐度和强度的增大而增大。不同盐度条件下，m=2的涡旋光束的径向闪烁因子随径向距离的增大呈先减小后增大的变化趋势。另外，搭建了传输距离更长的实验装置，在20米的传输距离内，拓扑电荷m=2的涡旋光束的闪烁因子远高于高斯光束所对应的闪烁因子，且m=2的涡旋光束和高斯光束的闪烁因子都随着传输距离的增大而增大。
涡旋光束 水下湍流 闪烁因子 盐度 传输 vortex beam underwater turbulence scintillation index salinity propagation
