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湍流效应对激光传输质量的影响及改善方法

作　者: 王静
导　师: 陶向阳
学　校: 江西师范大学
专　业: 光学
关键词: 大气湍流多光束发射光束质量
分类号: TN241
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

当激光通过大气传输时,湍流和热晕等线性和非线性效应会对激光传输和光束质量都产生影响。在大气光学领域,湍流是指大气中局部温度、压力的随机变化而产生折射率的随机变化。湍流产生许多温度、密度具有微小差异而折射率不同的涡旋元,这些涡旋元随空气的运动不断地产生和消失,当光束通过这些折射率不同的涡旋元时会产生光束的抖动、强度起伏、光束扩展和漂移等一系列的大气湍流效应。针对克服大气湍流效应问题,有很多种方法可供选择。总归起来,这些方法可以划分为两种基本类型:(1)相位补偿。即选择发射激光束的初始波前,消除一部分相位畸变;(2)光强修复。通过修正发射的激光束的光强分布,在光束传输路径上得到可修整的相位变化,使到达焦平面的激光强度增加。自适应光学方法以及多光束发射正是基于这两种类型而设。多光束发射特指在发射端从一些孔径之间的距离大于大气相干长度的发射镜中发射多束互不相干的激光束,在远场接收端非相干叠加,以克服大气激光传输中的湍流效应,实现大气信道的有效补偿。多光束发射的本质是一种非相干叠加技术,它能够有效地减小接收端的光强起伏效应。本文通过远场光束质量参数的计算和讨论来验证多光束发射的优越性。而自适应光学方法,其核心是实时地感应所出现的相位畸变,从而引进电路控制的相位移,使得要发射的信号激光的波前与信标光的波前共轭,达到补偿光束相位起伏的效果,目的是使目标上的功率密度最大。全文共分三章,主要研究内容为:1、阐述激光大气传输过程中导致光强起伏的主要因素;2、通过统计理论描述湍流大气中的光束传输规律;3、叙述了多光束发射技术的原理,通过计算远场光束质量参数来验证多光束方法在减弱光强起伏方面的积极作用。4、阐述自适应光学方法的原理并分析其局限性。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
1 引言  8-11
  1.1 国内外研究现状及背景  8-9
  1.2 本文的主要工作  9-11
2 湍流大气中的光束传输  11-23
  2.1 激光传输的主要研究方法  11-14
    2.1.1 波动方程方法  11-12
    2.1.2 广义衍射积分方法  12-13
    2.1.3 傅里叶光学方法  13-14
  2.2 大气激光传输中的强度起伏  14-16
    2.2.1 光束漂移的概率分布  14-15
    2.2.2 大气闪烁的概率分布  15-16
  2.3 湍流对激光传输影响的理论模型  16-21
    2.3.1 Rytov 方法  17-19
    2.3.2 Markov 近似  19-21
  2.4 大气湍流的处理  21-23
3 改善湍流效应的方法  23-41
  3.1 远场光束质量的评价参数  23-24
    3.1.1 光束质量因子，β参数  23
    3.1.2 Strehl 比  23
    3.1.3 光斑质(重)心位置  23-24
    3.1.4 像散参数  24
    3.1.5 PIB（桶中功率）  24
  3.2 多光束发射技术  24-38
    3.2.1 多光束发射理论的验证  25-29
    3.2.2 单光束发射与多孔径发射的比较分析  29-31
    3.2.3 远场光束质量参数的计算  31-33
    3.2.4 传输距离对激光传输的影响  33-36
    3.2.5 孔径半径对激光传输的影响  36-38
  3.3 校正式相位共轭自适应光学系统工作原理  38-40
  3.4 小结  40-41
结论  41-42
参考文献  42-45
致谢  45-46
在读期间公开发表论文（著）及科研情况  46

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