高斯-贝塞耳光束在湍流大气中的传输特性.pdfVIP

第29卷 第3期 华 侨大学学报(自然科学版 ) Vo1．29 No．3 2008年7月 Journal of Huaqiao University(Natural Science) Ju1．2008 文章编号： 1000—5013(2008)03—0347—06 高斯一贝塞耳光束在湍流大气中的传输特性 陈宝算，王 涛，陈子阳，蒲继雄 (华侨大学信息科学与工程学院，福建泉州362021) 摘要： 根据广义惠更斯一菲涅耳原理，推导高斯一贝塞耳光束在湍流大气中传输时光强分布变化规律的理论 公式．研究高斯一贝塞耳光束在湍流大气中的传输特性，讨论湍流扰动强弱及拓扑荷数大小对其传输特性的影 响．研究结果表明，湍流扰动强弱及拓扑荷数的大小都会影响光束的传输特性．当拓扑荷数相同时，湍流扰动 越强，则光强分布变化越快；当湍流扰动相同时，光强分布变化速度随拓扑荷数的增大而减小． 关键词： 高斯一贝塞耳光束；广义惠更斯一菲涅耳原理；湍流大气；传输特性 中图分类号： 0 436 文献标识码： A 激光光束在大气中的传输，对于遥感、跟踪及远距离光通信等应用有十分重要的意义[】 ]。定性研究 空间激光通信中接收平面上光强分布的时空特征，了解大气所导致的光强起伏特性，不但可以提高通信 质量，还可为激光空间通讯系统的设计提供科学依据[3]．2002年，Gbur等[4]给出了部分空间相干光束 明显受到湍流扰动影响的条件．之后，Dogariu等[5 用实验证实了文E4-1的结论．2003年，Shirai等[ 以 高斯一谢尔模型光束为例，用相干模式叠加法研究了部分空间相干光在湍流大气中的光束扩展问题．此 外，2004年，Ji等[7]还研究了湍流扰动对多色部分空间相干光传输特性的影响。高斯一贝塞耳光束由 G0ri等人在1987年首次提出_8]，不同于一般的无衍射光束。这种光束是一种近似无衍射光束，由于受 到高斯型分布的调制，因此具有有限的能量，从而在实验上可实现，这种光束的传输特性引起了研究人 员的广泛兴趣 。 。另一方面，高阶高斯一贝塞耳光束因其带有涡旋相位因子而具有许多独特性质[11-13]。 到目前为止，有关带涡旋相位因子的高阶高斯一贝塞耳光束在湍流介质中的传输特性还没有报道，因而， 这种研究显得相当重要．本文以广义惠更斯一非涅耳原理为基础，以高斯一贝塞耳光束为对象，研究其在 湍流大气中的传输变化规律，重点讨论湍流扰动的强弱及光束拓扑荷数的大小对其传输特性的影响。 1 理论分析 假定光源位于z=0平面，光源发出的光束在傍轴近似条件下沿z轴正方向在湍流介质中传输。在 z一0平面内，光源的交叉谱密度函数表示为 V (rl，r2，0，叫)二==(E(rl，0，叫)E (r2，0，叫)。 (1) 式(1)中，r ，r2为光源平面的任意二维位置矢量，叫为光束角频率，E(r，0，叫)为光源平面光束的电场分 量，(表示系综平均。 根据广义惠更斯一菲涅耳原理，光束在湍流介质中传输一段距离(z0)，光场的交叉谱密度函数可 以表示为E14-16] L2 rr W(pl，p2， ，叫)一 ‘E(rl，0，叫)E (r2，0，叫)× exp[-一 (rl—p1) + ik(r2～p 2) ]·expE~(rl，pl，z，叫)+ (r2，p2，z，叫)]drldr2． (2) 收稿日期 2007—11—12 - 作者简介： 陈宝算(1985一)，女；通信作者：蒲继雄(1962一)，男，教授，主要从事光束传输的研究．E-mail：ji~ong@hqu． edu。CIL 基金项目： 国家自然科学基金资助项目；福建省自然科学基金资助项目(AO51OO18) 348 华侨大学学 报(自然科学版) 式(2)中，，． ，，．z为光源平面的任意二维位置矢量，p ，p