文献综述
摘要:
激光因为具有的良好单色性和高方向,高相干的性质,因此它在很多领域如:激光通讯,激光测距,激光武器,激光测距等有着重要的应用,而其中激光的传输与控制是一个重要的研究课题。但是由于大气的随机运动和介质的不稳定性,会对传输于其中的激光光波造成影响,其中大气湍流效应对通信系统造成的影响较为显著[20]。经过研究证明在大气激光通信中,大气湍流会对激光的相干性造成破坏,随着湍流强度的增加,光束的相干性会降低,因此相对于完全相干的光束,部分相干光束可以有效的减少湍流带来的影响[1]因此在自由光通信中一般采用部分相干光束,基于此本次课题重点研究一种特殊非均匀厄米关联光束的调控机理及湍流大气传输特性,探索新特点和新应用。
正文:
大气湍流是大气的一种重要运动形式,它的存在使大气中的动量,热量,水气和污染物的垂直和水平交换作用明显增强,远大于分子运动的交换速度。大气湍流的存在同时对光波,声波和电磁波在大气中的传播产生一定干扰。而激光光束经过大气传播时,大气湍流引起激光信号能量衰减,光强度起伏,波前相位畸变等效应[13] 。大气湍流的产生机理可以分为动力学机制和热力学机制两类[14]会令光束出现光波强度,相位和频率在时间和空间上呈现随机起伏,出现光束截面内的强度闪烁[15],光束的弯曲和漂移(方向抖动)光束弥散畸变和空间相干性退化,统称为大气湍流效应[16]。使得光束传输质量大大降低。因此研究激光经大气湍流的传输问题,降低大气湍流效应对光波影响的方法是一大研究重点。
在通常时候,我们将激光光束当做是完全相干光来进行研究,但是实际上理论证明自然界的所有自然光源都是部分相干的,完全相干光只存在于理想状态,而由相干光的定义可知:只有满足振动方向相同,振动频率相同,相位相同或者相位差恒定这三个条件才能被称为相干光。一般光源的发光机制是由原子辐射出一列频率和振动方向都一定的有限长波列,并且只有同一种原子才能发出一样的光,光束不可能是单频的,而原子也不能辐射出一个无限长的波列,所以严格意义上完全相干的光是不存在的,在实际的实验中会将一些性质特别接近的准单色光近似看成单色光,因此部分相干光在实际运用上具有很重要的意义。
部分相干光束是相干长度介于零和无穷大之间的光束,在国外从20世纪60年代变提出了部分相干光的概念,并且进行了一系列的研究工作。在早期,最先开始对部分相干光进行研究的是在1865年Verdet对一个扩展的初级光源光场进行了研究,Martienssen首次提出了使用激光照射旋转的玻璃来破坏激光的相干性产生非相干光源[21]。在这之后Michelson,Von Laue,Van Cittert,等人在部分相干光理论体系的成立上做出了一系列的研究。再经过Wolf,Gori等人在部分相干光理论的贡献使得部分相干光形成了完整的体系[2-4]。
在随着部分相干光束的研究深入,提出了许多描述部分相干光束的数学模型,高斯关联模光束(Gaussian-SchellModel)是一种典型的高斯关联部分相干光束,最早在1978年,由Collet和Wolf提出[5]。这种光束具有同为高斯分布的光强分布和相干度分布,而且这种高斯-谢尔模光束分布的光强和相干度分布不会随着传播距离而改变[6],它作为早期的部分相干光的模型,起着十分重要的意义。此后本世纪初,Wu等人研究GSM光束在Kolmogorov湍流介质中的二阶相干性,发现GSM光束在光束中受到大气湍流的影响比完全相干光小,GSM光束的光强分布经过湍流的影响后分布更均匀[7]。除了高斯类以外,在2001年自Gori和Santarsiero提出了设计具有特殊部分相干光束模型的标量和矢量部分相干光束的充分条件[10]以及Martinez-Herrero等人推导出来了交叉谱密度和交叉谱密度矩阵的充分条件[9,10]之后,许多具有特殊相关函数的标量矢量部分相干光束的理论模型相继被提出,如在特殊关联结构调控下,这些光束均呈现特殊的传输特性。
而由上述对非完全相干光的研究叙述中得知使用部分相干光来代替完全相干光束,可以减小光束受湍流负效应的影响[17]。早在1972年Kon等人便着手研究部分相干光束在湍流介质中的传输特性,探究其激光光束的平均光强与其相干长度的关系[22],Riklin研究了部分相干准单色高斯光束经大气湍流的传输,指出采用部分相干光束可以降低系统的误码率[18]。2003年Gber等人通过研究部分相干光束在湍流传播时的光束宽度随传播距离的变化,得出了部分相干光比完全相干具有更好的抗湍流效应[23]。之后国内学者对部分扭曲高斯谢尔模型光束在大气湍流中的传输进行了研究,指出了扭曲高斯谢尔模光束对湍流的抵抗力强于GSM光束,在此基础上,zhu等人研究了EGSM光束经大气湍流的传输因子,则指出EHGCSN光束在湍流中的传输质量优于标量DSM光束[19],近年来,殊关联部分相干光束经大气湍流的传输特性表明了,具有特殊强度轮廓的部分相干光束手湍流影响小于传统GSM光束以及相应完全相干光束。因此特殊关联部分相干光束具有进一步改善光束传输性能的潜力,在大气激光通信领域具有重要的应用价值。
本次毕业设计主要研究的EHGCSM(Hermite-Gaussuan correlated Schell-model)光束,是由标量GSM光束扩展得到,在2015年,由Chen等人提出,它是一种具有自分裂的传输特性的特殊关联部分相干光束模型-厄米高斯相干谢尔模型[11]。其在自由空间传播时,随着传输距离的增加,由初始平面时的单一光束逐渐分裂为两个或四个子光束,并且呈现高斯分布。当该光束聚焦之后又可以重新合成一束光束。该光束的空间相干偏振特性可由空间-时间域内的2x2阶交叉普密度矩阵来描述[12]。
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