光电子学与激光技术

部分相干平顶光束在非Kolmogorov 大气湍流中 湍流距离的变化

黄永平，段志春，贺也洹，等

摘要：目的：平顶光束指的是强度分布均匀的光束，其独有的近场分布均匀、远场能量集中的特性，引起众多研究者的兴趣,并将其应用到诸多领域，如激光材料加工、惯性约束聚变、测距与雷达等。当激光束在大气中长距离传输时，受到大气湍流效应的影响会导致激光传输性能明显降低，传输质量变差。然而，激光束在传输过程中存在一个受湍流影响很小的传输范围，被称为湍流距离。如果湍流距离越大，则表明光束受湍流的影响越小，越有利于光束传输。大量的研究表明，部分相干光在大气湍流中传输受到湍流的影响要比完全相干光弱。为了说明激光束在非Kolmogorov（非K）大气湍流中湍流距离的主要影响因素及规律，本文以部分相干平顶光束为例来研究激光束在非K 大气湍流中湍流距离的变化。方法：本文基于广义惠更斯-菲涅尔原理得到部分相干平顶光束在非K 大气湍流中的交叉谱密度，进而给出部分相干平顶光束传输到平面z 上的光强分布及其二阶矩、M2因子和相对M2因子。在此基础上，利用文献中基于相对M2因子定义的湍流距离，当相对M2因子的值为时所对应的传输距离为湍流距离，经过繁琐的推导得出部分相干平顶光束在非K 大气湍流中传输的湍流距离的解析表达式，并通过数值模拟计算分析说明部分相干平顶光束在非K 大气湍流中湍流距离随各参数的变化规律。结果：从湍流距离表达式可看出，部分相干平顶光束在非K大气湍流中的湍流距离由非K大气湍流参数即广义指数参数a、湍流内外尺度和部分相干平顶光束在z＝0 处的初始二阶矩即光束参数（包含光束阶数、波长、相干度以及束腰宽度）决定。当平顶光束阶数N＝1 时，可简化为GSM 光束在非K 大气湍流中湍流距离的表达式；当光束的相干参数b→∞，可简化为完全相干平顶光束在非K 大气湍流中湍流距离的表达式。通过对数值模拟计算结果的分析可知，其一，部分相干平顶光束在非K 大气湍流中的湍流距离随广义指数参数的增加呈现非单调变化，即先减小到最小值而后再增加，并且，光束阶数N 越大，在相同条件下，其湍流距离的值越大，表明部分相干平顶光束比GSM 光束受到非K 湍流影响要小；其二，湍流距离随波长的增加而增大，表明长波长光束受湍流的影响小；其三，在相同条件下，光束的束腰宽度越小的部分相干平顶光束的湍流距离更大；其四，湍流距离还随湍流内尺度的增加而增大，随外尺度的增加而减小，但外尺度较大时，这种变化趋势并不明显。结论：研究结果表明，部分相干平顶光束在非K 大气湍流中的湍流距离随广义指数参数的增加先减小达到最小值后再增大，随部分相干平顶光束的阶数和波长的增加而增大，随光束相干性的减弱而增大，随光束束腰的增加呈现先减小后增大的非单调变化。本文所得研究结果将有利于更好地研究湍流对部分相干平顶光束、完全相干平顶光束以及GSM 光束在非K 弱湍流大气中沿水平路径传输的影响，为平顶光束在非K 湍流大气中传输的应用奠定理论基础。

来源出版物：中国激光,2014,41(9):0913002

入选年份：2017