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基于张量方法研究部分相干光和部分偏振光在大气湍流中的传输特性

作　者: 王海燕
导　师: 李相银
学　校: 南京理工大学
专　业: 光学工程
关键词: 张量方法部分相干光部分偏振光光谱变化传输特性大气湍流
分类号: O357.5
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

光场的相干、偏振和光谱特性是现代光学的重要研究内容,对现代光学理论和激光技术的发展具有重要意义。本论文采用简便有效的张量方法避免了大量耗时的积分运算,从部分相干光在大气湍流中的传输理论出发,深入研究了部分相干光和部分偏振的电磁光束在大气湍流中的传输特性和光谱变化。具体研究内容与成果归纳如下：(1)基于空间-频率域中的交叉谱密度函数传输理论,研究了扭曲的各向异性的高斯-谢尔模型(TAGSM)光束和椭圆高斯光束(EGB)在大气湍流中传输时的频谱移动特性。通过数值计算和理论分析表明：不满足“定标律”的光束在大气湍流中传输时的频谱移动是由于光束的相干诱导和大气湍流共同作用引起的；通过调控光源的扭曲参数、相干特性以及光斑大小,可以调制光束在大气湍流种传输时的频谱移动大小以及光谱跃迁位置。所得结论对光谱实验和高精度光谱测量具有理论参考价值。部分相干光通过大气湍流中的光谱变化可望在光互连、光通信等方面获得应用。从工程应用角度考虑,研究了TAGSM光束的光束参数、离轴TAGSM光束的离轴参数在大气湍流中传输时的变换规律以及具有各种对称形状的部分相干的空心光束(DHB)在大气湍流中的传输变换特性。(2)推导了相干合成和非相干合成的径向分布的部分相干平顶光束(FTB)阵列在大气湍流中的传输时的张量形式的解析表达式,并研究了阵列光束的光强和复相干度模的分布。研究表明：大气湍流和光束阵列的单元光束之间的相关性是影响光束阵列传输特性的两大因素；由于大气湍流的影响,阵列光束远距离传输后退化为高斯光束,复相干度模的分布起始于高斯分布,终止于高斯分布,空间相干性会随着传输距离的增大变差。所得结论对部分空间相干光阵列的大气传输相关工作有实际应用意义。(3)基于各向异性的随机电磁高斯-谢尔模型(EGSM)光束,提出了具有扭曲特性的各向异性的随机电磁高斯-谢尔模型(ETAGSM)光束的数学-物理模型,基于部分相干偏振统一理论研究了有无光阑限制的随机电磁光束在大气湍流中传输的光谱特性。研究发现：近距离传输时,主要受到光阑衍射的作用,远距离处主要受大气湍流的作用；通过调制光阑孔径参数、光源扭曲参数以及光源相干性参数等可以调制ETAGSM光束在大气湍流中传输时的光谱特性的分布情况。本文通过理论分析所得的研究成果对探索和研究部分相干光和部分偏振光在激光空间技术中的应用具有重要的理论及应用价值。研究激光在大气湍流中传输特性,在激光雷达、激光制导、激光通讯等应用领域具有重要意义。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-8
论文目录  8-11
图表目录  11-17
1 绪论  17-26
  1.1 研究背景  17-19
  1.2 国内外研究现状  19-23
  1.3 论文的主要内容及创新点  23-26
2 基础理论  26-61
  2.1 大气湍流  26-35
    2.1.1 大气湍流的形成  26-29
    2.1.2 大气湍流的基本特性  29-30
    2.1.3 大气湍流的折射率结构常数及实验测量方法  30-32
    2.1.4 大气湍流对激光传输的影响  32-35
  2.2 激光在大气湍流中传输的研究方法  35-38
    2.2.1 理论研究的解析方法  35-37
    2.2.2 实验研究  37
    2.2.3 数值实验  37-38
  2.3 部分相干光和部分偏振光的基本概念、基本理论和主要研究方法  38-60
    2.3.1 部分相干光和部分偏振光的基本概念和基本理论  38-45
    2.3.2 激光传输变换的主要研究方法  45-49
    2.3.3 描述部分相干光的数学-物理模型  49-60
  2.4 本章小结  60-61
3 部分相干光在大气湍流中的传输特性  61-105
  3.1 TAGSM光束在大气湍流中传输时的频谱移动特性  61-69
    3.1.1 TAGSM光束在大气湍流中的光谱传输方程  61-63
    3.1.2 TAGSM光束在大气湍流中的光谱变化特性分析  63-69
  3.2 TAGSM光束在大气湍流中传输时光束参数的变化  69-74
    3.2.1 TAGSM光束在大气湍流中的传输方程  69-71
    3.2.2 TAGSM光束在大气湍流中传输时光束参数的变化特性分析  71-74
  3.3 离轴的TAGSM光束在大气湍流中传输特性  74-79
    3.3.1 离轴的TAGSM光束在大气湍流中的传输方程  74-76
    3.3.2 离轴的TAGSM光束在大气湍流中传输特性分析  76-79
  3.4 EGB光束在大气湍流中传输时的频谱移动特性  79-84
    3.4.1 EGB光束在大气湍流中传输中的光谱传输方程  79-80
    3.4.2 EGB光束在大气湍流中的光谱变化特性分析  80-84
  3.5 各种对称形状的部分相干DHB在大气湍流中的传输特性  84-92
    3.5.1 各类对称形状的部分相干DHB在大气湍流中传输方程  84-85
    3.5.2 各类对称的部分相干空心光束在大气湍流中传输的平均光强  85-90
    3.5.3 部分相干的DHB在大气湍流中传输时的复相干度分布特性  90-91
    3.5.4 各种对称形状的部分相干DHB在大气湍流中传输时的桶中功率  91-92
  3.6 部分相干光束阵列在大气湍流中的传输特性  92-103
    3.6.1 部分相干的径向FTB阵列在大气湍流中传输方程  92-95
    3.6.2 部分相干径向的FTB阵列在大气湍流中的传输特性分析  95-103
  3.7 本章小结  103-105
4 部分相干部分偏振的随机电磁光束在大气湍流中的光谱传输特性  105-148
  4.1 ETAGSM光束在大气湍流中传输时的光谱特性  105-114
    4.1.1 ETAGSM光束在大气湍流中的传输方程  105-107
    4.1.2 ETAGSM光束在大气湍流中的光谱传输特性分析  107-114
  4.2 受光阑限制的ETAGSM光束在大气湍流中的光谱特性  114-120
    4.2.1 受光阑限制的ETAGSM光束在大气湍流中的传输方程  115-117
    4.2.2 受光阑限制的ETAGSM光束在大气湍流中的光谱传输特性分析  117-120
  4.3 受狭缝光阑限制的ETAGSM光束在大气湍流中的光谱特性  120-132
    4.3.1 受狭缝光阑限制的ETAGSM光束在大气湍流中的传输方程  120-122
    4.3.2 受狭缝光阑限制的ETAGSM光束在大气湍流中的光谱传输特性分析  122-132
  4.4 方位偏振的EDHB在大气湍流中传输特性  132-146
    4.4.1 方位偏振的EDHB在大气湍流中的传输方程  132-135
    4.4.2 方位偏振的EDHB在大气湍流中的光谱传输特性分析  135-146
  4.5 本章小结  146-148
5 激光光束在大气湍流中的斜程传输特性  148-157
  5.1 球面波在湍流介质中的相干长度  148-149
  5.2 ETAGSM光束在大气湍流中的斜程传输特性  149-156
    5.2.1 ETAGSM光束在大气湍流中斜程传输方程  149-150
    5.2.2 激光光束在大气湍流中的斜程传输特性分析  150-156
  5.3 本章小结  156-157
6 结束语  157-159
致谢  159-160
参考文献  160-178
攻读博士期间发表的论文  178-180
附录  180-181
  附录A公式(3.6.5)推导过程  180
  附录B.公式(3.6.10)推导过程  180-181

基于张量方法研究部分相干光和部分偏振光在大气湍流中的传输特性

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