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《激光空间相干性对照明均匀性的影响》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、第14卷 第1期强激光与粒子束Vol.14,No.12002年1月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSJan.,2002文章编号:100124322(2002)0120041204X激光空间相干性对照明均匀性的影响万 敏, 张 卫, 向汝建, 杨 锐(中国工程物理研究院应用电子学研究所,四川绵阳621900) 摘 要:研究了激光相干性对照明均匀性的影响,为照明激光器的选择提供了理论参考。其中,部分相干高斯光束分解为模式间相互独立的厄米2高斯光束的迭加。采用相位屏的近似处理方法对激光通过大气湍流的传输进行计算模拟。数值模拟的结果表明:当照明光束的空间相
2、干性降低时,其照明均匀度逐步提高。因此对于照明激光器而言,选择空间相干性较差的激光器对其照明均匀度更加有益。 关键词:空间相干性; 照明均匀性; 大气湍流 中图分类号:TN248文献标识码:A 激光束在大气传输过程中,由于大气湍流的影响,传输光束的波前将随机起伏,引起光束抖动、强度[1]起伏(闪烁)、光束扩展和像点抖动。 基于实际主动照明跟踪的需要,美国有关实验室开展了一系列单、多束激光照明的大气闪烁效应的实验研究和理论模拟研究工作,这些研究结果都表明,3到4束非相干激光束照明,降低了大气闪烁效[2]应的程度,提高了照明均匀性。这是由于非相干束的强度叠加,平滑掉了部分
3、湍流引起的强度起伏。由此我们可以推断,相干性不同的两束光,分别用作照明激光,在相同的湍流强度下,其目标光强均匀度将会由于相干性的不同而有所不同。为了了解相干性对照明均匀性的影响,从而为照明激光器的选择提供理论参考,我们将就光束相干性和照明均匀性之间的关系作理论上的探讨。1 部分相干光的模分解[3] 激光的相干性包括其空间相干性和时间相干性,本文将就光束的空间相干性问题进行探讨。光束[3]的空间相干性和它的方向性(用光束发散角描述)紧密联系。众所周知,只要可饱和增益介质的存在,[4]在激光器中就会导致许多横模同时振荡。不同模式的光波场是非相干的。由于多横模意味着方向性变差(高
4、次模发散角加大),这表明,激光的方向性越好,它的空间相干性程度就越高。 多模光学谐振腔输出的光束可由模式间互不相干的厄米2高斯光束或拉盖尔2高斯光束基底叠加而成。由于作为基底的光束的模式间相互独立,而导致了所叠加的光束为部分相干光束。因而部分相干光可分解为厄米2高斯光束的叠加。 设部分相干高斯光束的光强分布为22x+yI(x,y)=I0exp-22(1)r0式中:I0为常数;r0为光束的束腰半径。令部分相干光分解为厄米2高斯光束的叠加,在笛卡尔坐标系下,[3]z=0处的厄米2高斯光束的正交归一化场振幅分布为22112122-x+y7mn(x,y)=HmxHnyew2(2)
5、mnPw0w02m!2n!0w0式中:w0为厄米2高斯光束的束腰半径。则部分相干光光强分布可表示为∞22I(x,y)=∑ûCmnû7mn(x,y)(3)m,n=0X收稿日期:2001206221;修订日期:2001208216基金项目:中国工程物理研究院基金资助课题(20000444)作者简介:万 敏(19702),女,博士,主要从事光学技术方向的研究;绵阳91921012信箱。©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.42强激光与粒子束第14卷22[5] 其中模权重系数ûCmnû由多模激光
6、的M因子确定222ûCmnû=ûCmûûCnû(4)2m22Mx-1ûCmû=22(5)Mx+1Mx+12n22My-1ûCnû=22(6)My+1My+1 而作为部分相干高斯光束的基底光的厄米2高斯光束,其束腰半径w0与部分相干高斯光束束腰半[6]径r0的关系为22w0=r0öM(7)2 部分相干光在一定的近似条件下可用高斯2谢尔模型光束描述,高斯2谢尔模型光束的M因子为222M=1+r0öR0(8)22式中:R0为部分相干光的相干长度。因此,由部分相干光的M因子可得到其相干长度,M因子越大,相干长度越短,也即光束的相干性越差。2 激光的大气湍流模型及模拟计算方法 大
7、气不是均匀的光学介质,其温度、湿度和压力在小范围和短时间内是快速随机变化的,因而大气折射率也随机变化,使得通过大气传输的光束产生闪烁。由于湍流是一种随机起伏,因此湍流理论本质[5]上是统计性的。对折射率起伏较精确的描述为Von2Karman谱密度函数222-11ö65n(J)=0.033Cn(J0+J)exp(JöJm)(9)2式中:Cn是大气湍流折射率结构常数;J为湍流空间波数;J0
