大气湍流对部分相干厄米_高斯光束光束的影响. 论文

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1、摘要激光在湍流大气中传输的理论研究对于激光通讯、激光测距、航空测绘、卫星遥感以及激光武器等领域有着十分重要的意义。激光束存在部分相干情况，并且部分相干光通过湍流大气传输时比完全相干光受湍流的影响更小。文章以部分相干厄米-高斯光束为例，研究了厄米-高斯光束在湍流大气中的传输特性分析了大气湍流内外尺度对厄米-高斯光束传输的影响。推导在大气湍流内外尺度的影响下部分相干厄米-高斯光束的光束展宽和角展宽表达式，并对此进行数值模拟。结果表明：外尺度越大，光束展宽越不明显。当湍流外尺度为无穷大时，可以退化为柯尔哥莫夫谱。关键词：大气湍流；厄米-高斯光束；内外尺度；光束展宽IAbstract

2、Thetheoreticalstudyofthetransmissionofthelaserinaturbulentatmosphereforlasercommunications,laserranging,aerialmapping,satelliteremotesensing,andlaserweaponsandotherareasisofgreatsignificance.Partiallycoherentbeamisnotsensitivethanfullycoherentbeamsthroughatmosphericturbulence.Takethepartial

3、lycoherentHermite-Gaussianbeamforexample,studythetransmissioncharacteristicsofpartiallycoherenttheHermite-Gaussianbeamsinturbulentatmosphere,theimpactofthescaleofatmosphericturbulencewithinandoutsidetheHermite-Gaussianbeamtransmission.Theclosed-formexpressionforbeambroadeningandangularbroad

4、eningofpartiallycoherentHermite-Gaussianbeamsisderivedinatmosphericturbulenceandnumericalsimulationisobtained.Theresultsshowthat:thegreatertheouterscale,thebeambroadeningmoreobvious.Whentheturbulenceouterscaleisinfinite,theresultreducestoKolmogorovspectrum.Keywords:Atmosphericturbulence；Her

5、mite-Gaussianbeam；Interandouterthescale；BeambroadeningI目录摘要IAbstractII目录III1引言11.1研究背景和意义11.2国内外发展动态12大气湍流22.1大气湍流概述22.2湍流介质的概念33部分相干光的研究43.1部分相干厄米-高斯光束的数学模型43.2大气湍流内外尺度概述53.3水平大气湍流中光束展宽公式的推导63.5大气湍流内外尺度对部分相干厄米-高斯光束展宽的影响93.6数值模拟12结论14参考文献15谢辞16I1引言1.1研究背景和意义伴随着激光技术的高速发展和日渐成熟，越来越多的研究人员关注激光在大

6、气中的应用，包括激光通讯、激光雷达、激光能量的传输、以及激光测距等。激光光束光场的随机变化源于大气湍流所引起的折射率的随机起伏，不同激光工程系统的使用性能因此将被严重限制，也可能影响激光工程系统的技术可行性。因此，激光在大气湍流中的传输特性具有重要研究价值和应用价值。激光特有的高强度、高单色性、高相干性和高方向性等诸多特性，使其具有容量更大、波束更窄、增益更高、速度更快、抗干扰性更强和保密性更好等一系列优点，从而成为空间通信最理想的载体。早期的激光大气通信曾掀起了世界性的研究热潮，许多经济和技术力量雄厚的发达国家在这个阶段投入了大量的人力、物力和财力，对激光大气通信进行了广泛

7、研究。然而由于大气湍流的影响，接收光斑发生闪烁和漂移现象：一方面闪烁现象导致了能量的损耗，使接收处的信噪比降低，有时甚至低于接收门限；另一方面漂移现象会使光斑部分或全部漂移到接收器孔径外，从而引起接收错误。九十年代以来，大功率半导体激光器件的研制成功，为长距离激光大气通信提供了条件。然而信息量的不断增大则要求使用更加优良的信号载体，于是激光大气通信又变得更加重要，同时对大气激光信道特性的研究也变得更加迫切。从光传播的角度分析，大气是非常不稳定的，它的压力、密度、水汽含量以及温度等都在不停的变化，包含大气