Airy光束在水下湍流场中的传输特性研究

发布时间：2020-05-15 11:55

【摘要】：激光通信技术具有通信容量大、保密安全性佳、设备经济便携等优势,在海洋通信领域有潜在的应用价值。由于水下存在温度、盐度分层以及受到海洋表面风力等因素影响形成的流速场,使得实际海洋湍流场情况复杂且强度各向异性。激光通信会受到水下湍流的影响产生光束扩展、光束漂移和光强闪烁等阻碍光传输的过程。Airy光束作为一种近似无衍射的特殊光束,具有传统Gaussian光束不具备的自愈合、自弯曲等优良特性,使其在对抗湍流效应中的运用受到学者的关注。论文在采用更贴合海洋湍流真实情况且便于计算的海洋湍流折射率功率谱的基础上,研究Airy光束在弱湍流条件下中长距离传输的扩展、漂移和光强闪烁特性,并与Gaussian光束在相同湍流场的传输特性比较。论文利用交叉谱密度的方法得到Airy光束扩展特性的物理表达式,数值模拟获得光束扩展特性在不同光束参量及湍流场强度参量下随传输距离的变化。仿真和实验基于功率谱反演生成湍流相位屏,并使用相位屏光传输法进行验证光束扩展特性与湍流强度和光束参量的关系。比较相同传输条件下Airy光束和Gaussian光束的光束扩展特性,进而验证光束扩展理论和数值模拟的可靠性。从光束漂移的瞬时质心的位移均方定义式出发,经过几何光学近似代入新的湍流折射率功率谱模型,获得通过海洋湍流的扰动后Airy光束漂移的物理表达式,数值计算不同截断因子、主瓣尺寸以及湍流强度参量下光束漂移随传输距离的变化。仿真和实验讨论不同光束参量和湍流强度参量分别对Airy光束和Gaussian光束的光束漂移特性的影响,验证光束漂移理论和数值模拟的可靠性。根据弱湍流条件下一阶Rytov近似,得到表征光强闪烁强度的系数表达式,进行了不同截断因子、主瓣尺寸以及湍流强度参量下光强闪烁系数数值模拟。在不同物理条件下从仿真和实验得到的经过随机相位屏扰动后接收平面光强分布中,使用自编程序处理并提取出不同物理参量下的光强闪烁系数验证理论和数值模拟的结果,并比较Airy光束与Gaussian光束在相同条件下的光强闪烁。论文比较了传输仿真和实验所得Airy光束和Gaussian光束的扩展、漂移和光强闪烁,发现Airy光束比Gaussian光束在抵抗湍流效应方面具有优势,这为Airy光束替代传统光束应用于海洋光通信领域提供了理论支撑。
【图文】：

iry 光束从无限振荡的能量化为有限能量，在实验中产生iviloglouGA 等人在进行理论推导研究时发现对包含 A傅里叶变换，得到包含三次立方相位因子的 Gaussian 分验，利用空间光调制器对 Gaussian 光束加载立方相位傅里叶变换便可生成 Airy 光束，完成了实验上 Airy 光图 1-1 所示。实验通过对 Ar 离子激光器出射光进行扩n 光。经过反射镜和分束镜直入射至 SLM，实现了光束直反射出分束镜后，用透镜做 Fourier 变换。最后在光摄获得其接收面的光场分布。他们还发现并验证了 Air的弯曲传播轨迹如图 1-2 所示，可以发现光束沿着曲线无限能量 Airy 光束传播的轨迹示意图。图 1-2(b)为已 Airy 光束传输情况。图内参量s x 为归一化的横向传输距离。该实验产生 Airy 光束过程中 SLM 加载的一3(a)及图 1-3(b)所示。

图 1-2 Airy 光束在自由空间中传播图[17]图 1-3 首次观测 Airy 光束的相位模板[17](a)一维相位模板 (b) 二维相位模板08 年，Broky J 等人通过光束内部横向功率流理论解释了 Airy 光束]。实验研究了光束在非均匀散射及湍流介质中的自重塑能力，其观拟合非常吻合。从而得到 Airy 光束截面在传输中因被遮挡或者受到过光束自身修复，使能量从旁瓣自动流动到主瓣使光截面恢复到原
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O357.5;TN929.1

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本文编号：2664986