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湍流大气低阶像差对聚焦高斯涡旋光束焦面光强的影响

作　者: 赵贵燕
导　师: 张逸新
学　校: 江南大学
专　业: 光学工程
关键词: 大气湍流 湍流倾斜像差 湍流散焦 湍流象散 涡旋光束 拓扑荷 湍流强度
分类号: TN011
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


激光在大气中传输过程中因大气湍流的存而出现光束的迅速扩展,从而使激光远距离光通信应用受到极大的限制。正因为如此,湍流对大气中传输激光束质量的影响引起国内外很多学者的关注。而希望通过自适应光学技术减小湍流引起的像差,提高传输光束质量,人们必须了解大气湍流各级子像差对传输光束波前的影响。因此,研究湍流各级子像差对涡旋光束的影响,对湍流大气光传输理论的研究,对涡旋光束在大气光通信中的实际应用,都具有重要的意义。本文主要研究湍流大气三种低阶像差对高斯背景聚焦涡旋光束焦面光强空间分布的影响。通过利用大气像差的Zernike多项式展开,研究了三种湍流低阶像差,即:倾斜、散焦和象散对聚焦高斯涡旋光束的影响,同时分析了三种像差和湍流总像差的差异,分别得出了三种大气湍流像差对聚焦高斯涡旋光束焦面光强分布的影响规律。在菲涅尔—基尔霍夫衍射积分理论的基础上,利用Zernike多项式的展开,得出了大气湍流中三种低阶像差的波相位函数,并由此得出了斜程传输条件下三种像差对应的涡旋光束焦面光强的分布方程。采用数值模拟的方法研究了不同湍流强度、传输距离和拓扑荷条件下三种低阶像差的影响规律。研究结果表明:1、三种低阶像差中,倾斜像差的影响最大。在弱湍流区域,湍流倾斜像差为主要影响,散焦和象散两种像差的影响可以忽略;在中等湍流区域倾斜像差的影响仍是最大。2、在弱湍流区域,散焦和象散两种像差影响很小,可以忽略;而在中等湍流区域,散焦和象散两种像差的影响都十分显著,不能被忽略。3、在中等湍流区域,对于双拓扑荷的涡旋光束,湍流象散对其焦面中心处光强的调制作用大于倾斜像差,并逐渐由涡旋光束形成高斯分布包络,因此湍流象散可以用来控制和调制带有双拓扑荷的聚焦高斯涡旋光束焦面中心处的光强。4、湍流强度、传输距离和拓扑荷三个参数的变化,可以引起三种低阶像差影响下涡旋光束焦面光强分布的变化。尤其对于湍流象散像差,拓扑荷的影响十分显著。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-7
第一章 绪论  7-10
  1.1 研究背景和意义  7
  1.2 国内外研究现状和发展趋势  7-9
  1.3 论文结构  9-10
第二章 大气湍流概述  10-20
  2.1 湍流的基本物理模型  10-12
  2.2 大气折射率结构常数  12-13
  2.3 大气折射率起伏的功率谱模型  13-16
    2.3.1 Kolmogorov 谱  13-14
    2.3.2 Tatarski 谱  14
    2.3.3 Von Karman 谱  14
    2.3.4 修正模型  14-16
  2.4 光在弱湍流中传输的Rytov 近似  16-17
  2.5 大气相关长度和 Zernike 多项式  17-20
    2.5.1 大气相关长度  17
    2.5.2 Zernike 多项式  17-20
第三章 聚焦高斯涡旋光束在低阶湍流影响下的光强  20-38
  3.1 湍流大气中聚焦涡旋光束的传输  20-22
    3.1.1 光学涡旋和涡旋光束  20
    3.1.2 涡旋光束的性质  20-21
    3.1.3 相位结构函数  21
    3.1.4 焦面光强分布  21-22
  3.2 数值模拟湍流倾斜像差影响下焦面光强的分布  22-26
    3.2.1 大气湍流强度的影响  23-24
    3.2.2 传输距离的影响  24-25
    3.2.3 光束拓扑荷的影响  25-26
  3.3 大气湍流散焦像差  26-30
    3.3.1 大气湍流强度的影响  27-28
    3.3.2 传输距离的影响  28-29
    3.3.3 光束拓扑荷的影响  29-30
  3.4 大气湍流象散对聚焦高斯涡旋光束焦面光强的影响  30-34
    3.4.1 大气湍流强度的影响  31-33
    3.4.2 传输距离的影响  33-34
    3.4.3 光束拓扑荷的影响  34
  3.5 湍流总像差与各像差的比较  34-38
    3.5.1 湍流总像差作用下光束焦面光强分布函数  34-35
    3.5.2 湍流总像差与各像差的比较  35-38
第四章 总结与展望  38-40
  4.1 本文总结  38
  4.2 研究工作展望  38-40
致谢  40-41
参考文献  41-46
附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文  46

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 一般性问题 > 基础理论 > 电波传播、传播机理
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