为了研究大气湍流对不同波长激光传输特性的影响, 利用MATLAB对其进行了仿真, 设计湍流模拟箱进行实验, 将仿真和实验结果对比进行了理论分析和实验验证。对激光波前光强分布进行了观察与记录, 并对不同波长激光束在相同大气条件下的光束漂移和光强起伏做了测量与分析; 就大气湍流对线偏振光的偏振态影响进行了实验观测。结果表明, 随着大气湍流的增强, 激光波前光强分布容易受到明显的影响; 激光束的光强起伏随着波长的增大而减小, 其方差最高到达2.79×10-2, 而光束漂移则与波长无关, 方差最高到达9.11×10-12; 线偏振光受到湍流效应的影响, 其光强产生随机变化, 且随着湍流强度的提高, 变化程度更剧烈。实验测试数据结果与大气湍流理论相符合, 这对激光大气传输的研究具有一定的参考价值。

采用多层相位屏的数值仿真方法,综合考虑大气衰减效应和湍流效应,研究了不同湍流强度和不同源相干度条件下超连续谱激光的光束扩展、光斑漂移以及闪烁特性,并对比分析了超连续谱激光传输与单色激光传输特性的差异.结果表明：湍流越强或源相干度越好,超连续谱激光的相对光束扩展越严重；湍流愈强,光斑漂移愈严重,但不同源相干度的超连续谱激光的质心漂移方差几乎相等；降低超连续谱激光的源相干度可以在一定程度上减弱光强起伏的闪烁效应,并降低闪烁指数对离轴距离的依赖性；与单色激光相比,湍流对超连续谱激光的光束扩展以及闪烁效应影响较弱,而质心漂移效应两者差异不明显.单色激光大气传输的数值仿真结果与理论解析结果基本吻合,在一定程度上说明了数值仿真过程的可靠性.该研究不仅提出了一种获得超连续谱激光大气传输特性规律的有效仿真手段,而且为超连续谱激光传输的工程应用提供参考.

针对激光光斑漂移受多种干扰因素影响，测量准确性难以估计的问题，提出了基于贝叶斯推理的光斑漂移特性分析方法。在对贝叶斯定理进行严格推导、激光基模光斑特性进行分析、测量噪声对理想光斑漂移影响分析的基础上，构建了完善的基于贝叶斯推理的光斑漂移特性数学模型，对相关参数进行了严格的推导。仿真结果和理论分析符合较好，该方法可用于评估环境(热效应、环境振动和空气扰动)因素对激光漂移的影响程度。

为了得到激光光束的某些参量，为设计和改进激光器提供依据，建立了一套激光光斑自动采集与分析系统，搭建了实验平台，并编写了一套基于虚拟仪器开发平台LabVIEW及其图像处理软件包NI Vision的用于采集和分析激光光斑的软件。该软件能实时显示光斑中心位置的漂移轨迹、在x方向和y方向漂移的标准差及其随时间变化的趋势等，同时，还能对基模高斯光束进行分析。经过去噪处理的光斑图样能以3维灰度图的形式显示出来，得到任意剖面的光强信息，并以此进行高斯曲线拟合，得出拟合参量以判断光强曲线接近高斯曲线的程度。结果表明，这种系统可以动态地采集光斑信息并进行处理，具有实时性。

针对远距离激光测距，如地球同步卫星测距、激光测月，利用基于傅里叶变换的分步传播方法对测距光束在湍流大气中的上行传播进行数值仿真。根据大气结构常数廓线，采用等Rytov指数间隔法分布相位屏，与理论值比对的结果表明相位屏的分布合理。在此基础上，对光束的光斑漂移进行分析，得到光斑漂移量与准直测距光束束腰的定量关系，为测距激光倾斜修正系统的设计提供理论依据。通过对轴上点的闪烁指数分析，发现消除漂移效应后，存在使轴上闪烁指数最小的条件。

针对激光光斑漂移设计了一套光斑漂移检测系统。利用该系统实现了对He－Ne激光器出射光束漂移的检测。它采用CCD摄像头和图像采集卡采集激光器输出光斑，通过专门软件对数字图像进行处理，得出光斑漂移的大小；另外，利用几何光学方法得到了激光光束在X方向、Y方向以及空间立体角上的漂移大小。分析了引起光束漂移的原因。结果表明：He－Ne激光器出射光束的指向主要受温度、环境振动、空气扰动和激光器自身结构的影响。该系统能准确地测量出激光器出射光束的漂移大小，实现光束漂移的控制。

将位置敏感光电倍增管(Position sensitive photomultiplier tube，简称PSPMT)引入大气湍流引起的漂移效应的实验测量中。基于PSPMT的工作原理，分析了探测器的放置位置对输出信号的影响，通过实验方法对PSPMT进行了位置定标和增益定标，获得了入射光束在探测面上的位置坐标。测量结果显示：在入射光斑尺度达到厘米量级同时具有较高强度的情况下，一次采样无法正确反映入射位置。因此以若干次测量的统计平均值表示入射位置，并综合考虑采集卡的最高采样率、采样点和信号频率等因素，分析了在漂移测量中如何选择进行统计平均的数据点的个数。

利用位置敏感型光电倍增管(PSPMT),设计了测量聚焦光束漂移的实验装置.该装置在80 mm的有效探测面内实现了2维位置信号的直接探测,空间分辨率可达1 mm,明显优于四象限探测器和阵列探测器,最高采样频率可达80 kHz,且动态范围很大,优于一般的成像器件.在近海岸海面上5 m处的大气边界层中进行了距离为1 000 m的聚焦激光传输实验.测量结果表明:聚焦光斑的质心漂移具有各向异性,水平方向光斑漂移幅度一般介于5.61 mm和14.83 mm之间,垂直方向光斑漂移幅度介于3.54 mm和7.3 mm之间,两者之比的平均值为1.69;水平方向和垂直方向的光斑漂移功率谱密度(PSD)在低频段也存在差异,垂直方向光斑漂移的PSD比水平方向光斑漂移的PSD下降速率更快.

通过对高能量密度氧碘化学激光器运行过程中存在的远场光斑漂移和变形实验现象的分析和测量,得出在高能量密度激光系统中谐振腔的各反射镜的同心度对远场输出光斑的漂移和变形影响很大。指出提高谐振腔内各反射镜在大气中的同心度及降低在激光系统抽真空过程中光腔盒的不稳定程度,是显著降低激光远场输出光斑漂移和变形的有效途径。

利用阵列探测系统进行了聚焦激光束光斑漂移的实验研究。与图像法相比，在动态范围和采样率两方面得到了改善。近地面传播路径的实验结果表明：铅直方向的漂移量略大于水平方向的漂移量；在晴朗天气以及较大的湍流强度下，测量结果与理论结果定量吻合，其变化趋势与闪烁大致相同；而在其他条件下，二者变化特征可能明显不同；漂移谱密度在三个典型的频率范围内呈幂函数变化关系，幂指数分别约为-1.<参考文献原文>-2.4和-4.8。