部分相干平頂光束在非Kolmogorov 大氣湍流中 湍流距離的變化

黃永平，段志春，賀也洹，等

摘要：目的：平頂光束指的是強度分布均勻的光束，其獨有的近場分布均勻、遠場能量集中的特性，引起眾多研究者的興趣,并將其應(yīng)用到諸多領(lǐng)域，如激光材料加工、慣性約束聚變、測距與雷達等。當(dāng)激光束在大氣中長距離傳輸時，受到大氣湍流效應(yīng)的影響會導(dǎo)致激光傳輸性能明顯降低，傳輸質(zhì)量變差。然而，激光束在傳輸過程中存在一個受湍流影響很小的傳輸范圍，被稱為湍流距離。如果湍流距離越大，則表明光束受湍流的影響越小，越有利于光束傳輸。大量的研究表明，部分相干光在大氣湍流中傳輸受到湍流的影響要比完全相干光弱。為了說明激光束在非Kolmogorov（非K）大氣湍流中湍流距離的主要影響因素及規(guī)律，本文以部分相干平頂光束為例來研究激光束在非K 大氣湍流中湍流距離的變化。方法：本文基于廣義惠更斯-菲涅爾原理得到部分相干平頂光束在非K 大氣湍流中的交叉譜密度，進而給出部分相干平頂光束傳輸?shù)狡矫鎧 上的光強分布及其二階矩、M2因子和相對M2因子。在此基礎(chǔ)上，利用文獻中基于相對M2因子定義的湍流距離，當(dāng)相對M2因子的值為時所對應(yīng)的傳輸距離為湍流距離，經(jīng)過繁瑣的推導(dǎo)得出部分相干平頂光束在非K 大氣湍流中傳輸?shù)耐牧骶嚯x的解析表達式，并通過數(shù)值模擬計算分析說明部分相干平頂光束在非K 大氣湍流中湍流距離隨各參數(shù)的變化規(guī)律。結(jié)果：從湍流距離表達式可看出，部分相干平頂光束在非K大氣湍流中的湍流距離由非K大氣湍流參數(shù)即廣義指數(shù)參數(shù)a、湍流內(nèi)外尺度和部分相干平頂光束在z＝0 處的初始二階矩即光束參數(shù)（包含光束階數(shù)、波長、相干度以及束腰寬度）決定。當(dāng)平頂光束階數(shù)N＝1 時，可簡化為GSM 光束在非K 大氣湍流中湍流距離的表達式；當(dāng)光束的相干參數(shù)b→∞，可簡化為完全相干平頂光束在非K 大氣湍流中湍流距離的表達式。通過對數(shù)值模擬計算結(jié)果的分析可知，其一，部分相干平頂光束在非K 大氣湍流中的湍流距離隨廣義指數(shù)參數(shù)的增加呈現(xiàn)非單調(diào)變化，即先減小到最小值而后再增加，并且，光束階數(shù)N 越大，在相同條件下，其湍流距離的值越大，表明部分相干平頂光束比GSM 光束受到非K 湍流影響要?。黄涠?，湍流距離隨波長的增加而增大，表明長波長光束受湍流的影響小；其三，在相同條件下，光束的束腰寬度越小的部分相干平頂光束的湍流距離更大；其四，湍流距離還隨湍流內(nèi)尺度的增加而增大，隨外尺度的增加而減小，但外尺度較大時，這種變化趨勢并不明顯。結(jié)論：研究結(jié)果表明，部分相干平頂光束在非K 大氣湍流中的湍流距離隨廣義指數(shù)參數(shù)的增加先減小達到最小值后再增大，隨部分相干平頂光束的階數(shù)和波長的增加而增大，隨光束相干性的減弱而增大，隨光束束腰的增加呈現(xiàn)先減小后增大的非單調(diào)變化。本文所得研究結(jié)果將有利于更好地研究湍流對部分相干平頂光束、完全相干平頂光束以及GSM 光束在非K 弱湍流大氣中沿水平路徑傳輸?shù)挠绊?，為平頂光束在非K 湍流大氣中傳輸?shù)膽?yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。

來源出版物：中國激光,2014,41(9):0913002

入選年份：2017