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激光束在湍流大气和傍轴光学系统传输性质研究

作　者: 袁扬胜
导　师: 屈军；蔡阳健
学　校: 安徽师范大学
专　业: 光学
关键词: 大气光学湍流大气拓展Huygens–Fresnel原理 Wigner分布函数 Rytov近似
分类号: O436
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

激光的产生和应用使现代科学和技术发生了重大变革,出现了一些新的学科和交叉学科,促进了激光加工,激光通讯和激光大气遥感等技术的发展。在激光科技领域,激光光学研究激光束在各种介质和光学系统中的变换和传输特性,以便按应用的要求对光束进行控制。在一些实际应用中,人们广泛地研究了激光在湍流大气或有光阑限制的光学系统中的传输特性。本论文主要研究包括以下三个方面:(1)基于拓展Huygens–Fresnel原理和Wigner分布函数的二阶矩理论,研究了一些激光束如空心光束和光束列阵在湍流大气传输时的光束传输质量(即M 2因子);(2)基于拓展Huygens–Fresnel原理和Rytov近似研究了一些激光束如完美的和标准的厄米高斯光束在湍流大气中传输时的平均光强和有效束宽;(3)研究了激光通过有光阑限制光学系统的聚焦特性。首先,介绍了激光在湍流大气中传输的基本理论,在真空中和湍流大气中传输的光束传输质量评价理论和激光通过傍轴光阑光学系统的焦移和焦开关理论。其次,理论研究了空心光束和高斯光束阵列在湍流大气传输的光束质量,得到相干和部分相干空心光束、高斯光束阵列在湍流大气中传输的M 2因子解析表达式。数值计算结果表明:在真空中,激光束的M 2因子由光束参数决定,但是在传输过程中保持不变;在湍流大气中传输时,激光束的M 2因子在传输过程中不断增加,增加快慢由光束参数、传输距离、湍流强度、湍流内标量决定;部分相干空心光束的相对质量因子较高斯光束和平顶光束的质量因子受大气湍流的影响要小。不同阶数的矩形高斯光束列阵,源场时x方向和y方向的M 2因子不同,远场时的M~2因子趋于相同。同时我们研究了在湍流大气中传输时,完美的厄米-高斯光束(EHGBs)和标准的厄米-高斯光束(SHGBs)平均光强和有效束宽、一维部分相干厄米-高斯光束的M 2因子。结果表明:在真空中传输时,EHGBs在远场的光场分布是四花瓣光束;在湍流大气中传输时,EHGBs和SHGBs在远场的光场分布都是高斯光束,EHGBs的阶数越高受到湍流的影响越小,源场有效束宽相同的EHGBs扩展比SHGBs小;一维相干和部分相干厄米-高斯光束的M 2因子变化的总体趋势与空心光束和高斯光束阵列的M~2因子变化相似,但和其光束参数密切相关。最后研究了四花瓣高斯光束通过光阑ABCD光学系统的焦移和焦开关现象,研究表明,四花瓣高斯光束通过光阑的傅里叶数F和光束阶数( m, n )的取值决定了其在轴上光强的聚焦性质,同时给出了本论文的总结和展望。本论文所得理论计算结果对实际光束在大气中传输、光学通讯和光学遥感的应用中有一定的参考价值。

全文目录

摘要  7-9
Abstract  9-11
第一章绪论  11-17
  1.1 激光在大气中的传输理论概述  11-12
  1.2 激光光束质量简介  12-13
  1.3 焦移和焦开关介绍  13
  1.4 本论文研究的意义及各章内容的安排  13-15
  参考文献  15-17
第二章基本理论和方法  17-32
  2.1 激光传输基本理论  17-23
    2.1.1 湍流理论  17-21
    2.1.2 湍流大小的测量  21-22
    2.1.3 激光在湍流大气中传输  22-23
  2.2 激光光束质量理论  23-27
  2.3 焦移与焦开关理论  27-30
  参考文献  30-32
第三章空心光束和高斯光束阵列在湍流大气传输的光束质量  32-59
  3.1. 引言  32
  3.2. 空心光束在湍流大气传输的光束质量  32-43
    3.2.1 空心光束的定义及其研究状况  32-33
    3.2.2 空心光束在湍流大气传输时的M~2 因子  33-38
    3.2.3 空心光束在湍流大气传输时的M~2 因子讨论  38-43
  3.3 高斯光束阵列在湍流大气传输的光束质量  43-53
    3.3.1 高斯光束阵列的研究现状  43-44
    3.3.2 高斯光束阵列在湍流大气传输时的M~2 因子  44-48
      3.3.2.1 圆对称相锁高斯光束阵列在湍流大气传输的M~2 因子  44-46
      3.3.2.2 矩形对称相锁高斯光束阵列在湍流大气传输的M~2 因子  46-48
    3.3.3 高斯光束阵列在湍流大气传输的M~2 因子讨论  48-53
  3.4 小结  53-54
  参考文献  54-59
第四章完美的和标准的厄米-高斯光束在湍流大气中传输的光束性质  59-77
  4.1. 引言  59-60
  4.2 完美的和标准的厄米高斯光束在湍流大气中传输  60-68
  4.3 一维相干及部分相干厄米高斯光束在湍流大气中传输的光束质量（M~2 因子）  68-72
  4.4. 小结  72-73
  参考文献  73-77
第五章四花瓣高斯光束通过光阑光学系统特性  77-86
  5.1 引言  77
  5.2 四花瓣高斯光束通过傍轴ABCD 光学系统  77-83
  5.3 小结  83-84
  参考文献  84-86
第六章总结与展望  86-88
  6.1 总结  86
  6.2 展望  86-88
作者在读研期间发表科研论文和参加学术会议情况  88-89
致谢  89

激光束在湍流大气和傍轴光学系统传输性质研究

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