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湍流对部分相干双曲余弦高斯列阵光束扩展和光束传输因子的影响

作　者: 刘飞
导　师: 季小玲
学　校: 四川师范大学
专　业: 光学
关键词: 大气湍流 双曲余弦高斯(ChG)列阵光束 部分相干ChG列阵光束 相干和非相干合成 角扩展及方向性 湍流距离 光束传输因子(M~2因子)
分类号: O436.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 25次
引　用: 1次
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内容摘要


激光束在大气湍流中的传输理论及实验研究,对于激光通讯、激光测距、激光雷达以及激光武器等领域的应用有着重要的意义。近年来,激光列阵合成技术由于在高功率系统、惯性约束聚变和高能武器等方面的应用也越来越受到人们的关注。而实际激光束存在部分相干情况。因此,研究部分相干列阵光束在大气湍流中的传输特性是十分有意义的。本文研究了湍流对部分和完全相干双曲余弦高斯(ChG)列阵光束扩展和光束传输因子的影响。主要内容总结如下:1.研究了ChG列阵激光束通过大气湍流传输的角扩展及方向性。利用积分变换技巧推导出了ChG列阵光束通过大气湍流传输的二阶矩束宽和角扩展的解析公式,给出了ChG列阵光束与一束高斯光束具有相同角扩展的条件。研究表明:相干合成的ChG列阵光束的角扩展比非相干合成的小,但是,非相干合成的ChG列阵光束的角扩展受湍流影响比相干合成的小。此外,相干合成的ChG列阵光束的角扩展随离心参数,束腰宽度和相对子光束间距的变化均出现振荡,但湍流中的振荡减弱。非相干合成的ChG列阵光束的角扩展与相对子光束间距和光束数目无关。2.采用湍流距离(湍流距离是指大气湍流导致的光束横截面积扩展达10%时光束的传输距离)定量地研究了湍流对部分相干ChG列阵光束扩展的影响。基于广义惠更斯—菲涅耳原理,采用Rytov相位结构函数二次近似和积分变换技巧,推导出了部分相干ChG列阵光束通过大气湍流传输时湍流距离的表达式。详细研究了部分相干ChG列阵光束的湍流距离随着大气湍流强度、光束参数(即子光束数,光束相干参数,离心参数,相对子光束间距)以及光束叠加方式(即交叉谱密度函数叠加和光强叠加)的变化情况。研究表明:部分相干ChG列阵光束的光束扩展会随着大气湍流强度的增大而增大,但是当选择合适的光束参数以及光束叠加方式时,可以减小湍流对部分相干ChG列阵光束扩展的影响。3.采用光束传输因子(M~2因子)作为光束质量的评价参数,研究了ChG列阵光束通过大气湍流传输的M~2因子。利用Rytov相位结构函数二次近似和积分变换技巧推导出了ChG列阵光束在大气湍流中传输的M~2因子的解析公式,并采用相对M~2因子研究了湍流对M~2因子的影响。研究表明:在大气湍流中M~2因子不再是一个传输不变量,湍流使得M~2因子增大。非相干合成情况下,M~2因子随着传输距离、离心参数、相对子光束间距和子光束数目的增大而增大。相干合成情况下,M~2因子随离心参数和相对子光束间距的增大呈现振荡上升。相干合成情况下的M~2因子比非相干合成的要小。然而,非相干合成情况下的M~2因子受湍流影响比相干合成的要小。特别地,相干合成情况下,选取适当的相对子光束间距可以减小湍流对M~2因子的影响。此外,随着子光束数目的增大,相干合成的M~2因子受湍流影响增大,而非相干合成的M~2因子受湍流影响减小。

全文目录


摘要  2-4
Abstract  4-7
目录  7-9
第一章 引言  9-20
  1.1 研究背景及意义  9-13
    1.1.1 激光束通过大气湍流的传输  9-10
    1.1.2 合成激光束  10-12
    1.1.3 双曲余弦高斯光束  12-13
  1.2 国内外研究现状分析  13-18
  1.3 本论文研究内容  18-19
  1.4 本论文各章节安排  19-20
第二章 基础理论  20-31
  2.1 激光束合成  20-21
    2.1.1 相干合成和非相干合成  20-21
    2.1.2 交叉谱密度叠加和光强叠加  21
  2.2 激光光束在大气湍流中的传输  21-28
    2.2.1 大气湍流的描述  22-23
    2.2.2 大气湍流的折射率起伏功率谱函数  23-25
    2.2.3 激光在大气湍流中传输的研究方法  25-28
  2.3 光束质量的评价参数  28-31
第三章 双曲余弦高斯列阵光束通过大气湍流的角扩展及方向性  31-41
  3.1 角扩展  31-35
    3.1.1 相干合成  31-34
    3.1.2 非相干合成  34-35
  3.2 方向性  35-36
  3.3 数值计算结果及分析  36-40
  3.4 结论  40-41
第四章 部分相干双曲余弦高斯列阵光束的湍流距离  41-50
  4.1 湍流距离  41-45
    4.1.1 交叉谱密度叠加  41-44
    4.1.2 光强叠加  44-45
  4.2 数值计算结果及分析  45-48
  4.3 结论  48-50
第五章 双曲余弦高斯列阵光束通过大气湍流的光束传输因子  50-59
  5.1 理论公式  50-53
  5.2 数值计算结果及分析  53-57
  5.3 结论  57-59
第六章 主要结论﹑创新点  59-62
  6.1 主要结论  59-60
  6.2 主要创新点  60-62
参考文献  62-69
致谢  69-70
攻读硕士学位期间的科研成果  70

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中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 光学 > 物理光学（波动光学） > 干涉与衍射
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