摘 要

近年来，随着激光技术的不断发展，激光技术在光通信中的应用也越来越广泛，光通信在生活中已成为不可缺少的一部分，因此对激光光束在大气中的传输特性的研究已成为目前科学家们重要的课题。本文以部分相干径向偏振光束为基础，研究其通过湍流大气后的偏振特性。在研究过程中，基于广义的惠更斯一菲涅耳原理，主要借助交叉光谱密度矩阵法建立了部分相干径向偏振光束通过湍流大气后的偏振特性模型。利用此方法可以用交叉光谱密度的矩阵元来表示部分相干径向偏振光束在湍流大气中传输后的偏振度。理论推导以及数值模拟仿真发现：当传输距离一定时，其偏振度会因为大气折射率结构常数的增加而逐渐减少；在给定的传输距离下，部分相干径向偏振光束的偏振度随着初始相干长度的增加而逐渐增加；远场处，部分相干径向偏振光束的偏振度将趋向于零。本文对部分相干径向偏振光束在湍流大气中偏振特性的研究成果让我们对光束在大气中传输时受到湍流大气影响的认识，在大气激光传输中有利于指导光在湍流大气中的传输应用。

关键词：部分相干径向偏振光束；湍流大气；偏振度

Abstract

In recent years, with the continuous development of laser technology, the application of laser technology in optical communications is more and more widely. In life, optical communication has become an indispensable part. Therefore, the research of the laser beam in the atmosphere has become an important research topic of scientists. In this paper, the polarization characteristics of partially coherent radially polarized beam research through turbulent atmosphere have been investigated. In the course of the study, based on the generalized Huygens Fresnel principle, established the polarization properties model of part coherent radially polarized beam through the turbulent atmosphere. Using this method, the degree of polarization of partial coherent radial polarization beam through the turbulent atmosphere can use the cross spectral density matrix elements to represent. Theoretical analysis and numerical simulation found that: When a certain distance transmission, the degree of polarization increases with the atmospheric refractive index structure constant gradually decrease; In a given transmission distance, the degree of polarization of partially coherent radially polarized beam increases with initial coherence length gradually increases. At the far field, the degree of polarization of partially coherent radially polarized beam will tend to zero. In this paper, the research results of partially coherent radially polarized beam polarization characteristics in the turbulent atmosphere make us understand the influence of beam transmission in the atmosphere by the atmospheric turbulence, in atmospheric laser transmission, it help guide laser transmission in turbulent atmosphere.

Keywords: partially coherent radially polarized beam; turbulent atmosphere; the degree of polarization

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 2

1.1研究背景、目的和意义 2

1.2 国内外研究现状 3

第2章 基础理论 4

2.1大气湍流 4

2.1.1大气湍流的概念 4

2.1.2 湍流效应 4

2.2 部分相干光 6

2.3部分相干径向偏振光束的特性 7

2.3.1 光的偏振 7

2.3.2 径向偏振光 9

3.1 光束在湍流大气中的传输理论 11

3.2 光束在自由空间中的传输理论 16

3.3部分相干径向偏振光束通过湍流大气和自由空间后的偏振特性 18

第4章 总结与展望 24

参考文献 25

致 谢 27

第1章 绪论

1.1研究背景、目的和意义

1960年，莱曼制造出了世界上第一台可使用的激光装置，之后我国第一台红宝石激光器于15个月后的1961年8月建成，从此激光便广泛出现在人们的生活中,激光的发明对人们的生产生活产生了很大的影响，可以说是一项伟大的发明，同时激光的发明使我们在光学领域有了更广阔更美好的前景。激光的特点主要有：方向性好，光束发散角小，光束几乎平行；亮度高，激光功率能量高度集中；单色性好，光束频率单一；相干性好，激光束具有频率单一、振幅和相位相同、传播方向一致的特点。激光的这些优良特性大大提高了实验仪器的精度，使光学实验的研究更加精确。

经过多年来国内外科学家在改进创新激光技术及其应用方面的努力，现在激光已经广泛地应用于生产生活的各个方面。现在常用的测量工具就有激光测量，此外激光在第一产业中、教育领域和科学研究领域中、医疗设备和通讯存储领域中、基础工业生产等方面都有很中广泛的应用。随着激光技术的发展，激光通信在生活中的应用也将越来越广泛。激光通信顾名思义是一种以激光为载体来传输信息的通信方式。通常情况，按传输媒质的不同，可分为大气激光通信和光纤激光通信。其中，以大气作为传输介质的激光通信是大气激光通信，而以光纤来作为传输介质的激光通信则是光纤激光通信。大气激光通信因为传输介质是大气，这样大大降低了激光传输信息的成本、另外在组网方面具有灵活的特点，无需频率的许可等受到广泛的应用，成为当今信息传输技术的一大热门课题。一般来说，大气激光通信包括发送和接收两个部分，载波光信号以大气作为传输信道来完成点到点或点到多点的信息传输是其基本原理。大气激光通信的传输介质大气湍流及大气中混浊介质对光的传输产生影响，使光信号产生随机变化和衰减效应。众所周知，大气是不稳定的随机变化的，所以研究光束在大气中的传输特性极其复杂，而大气湍流作为大气的一种形态，研究光束在大气中的传输即为研究光束在湍流大气中的传输特性。因此，研究大气湍流对激光信号传输的影响具有十分重要的意义。大气会受温度、风速、压强等的影响而做随机的不规则的运动，大气湍流作为大气的一种形态其运动也是随机的不规则的，因此大气湍流的参数指标如：压强、速度、温度等物理特性会发生随机变化，正因为大气湍流的这些随机变化，大大增强了大气中的热量、动量、污染物和水气的垂直和水平交换，这些因大气湍流的影响而产生的交换强度远大于分子之间运动的交换强度。当声波、光波、电磁波在大气中传输时，大气湍流的存在也会对其产生一定的干扰作用。大气的随机运动造成了大气湍流，光在湍流大气中的传输可看做光在随机介质中的传输，介质的随机性使得光的传输特性极其复杂，但由于大气激光通信在生活中已成为不可缺少的一部分，因此研究激光光束在湍流大气中的传输特性已成为近年来国内外科学研究者研究的热点。

1.2 国内外研究现状

激光通信技术从诞生以来，已经经过30多年的发展历史，随着激光技术的发展，现在其已经被广泛应用于通信、探测、遥感和工业加工等领域。由于激光大气通信技术广泛而又重要的应用，其未来的发展趋势引起了各国的高度重视，现已成为世界各国的一大热门研究领域。对于我国而言，激光通信技术是一门新兴技术，研究时间较短，因此在这一方面与欧美等发达国家存在一定的差距。目前为止，国内主要建立了北京大学研究所、清华大学研究所、上海电子科技大学研究所、哈尔滨工业大学研究所这四大激光通信技术研究机构。这四个研究机构分别主要致力于四个方面的研究：超窄带滤波技术研究、精密结构终端技术与小型卫星技术研究、APT技术重点研究、激光通信技术系统模拟技术研究。在国外，有些国家在这方面己经取得了很大的进展,最为突出和全面的发展是美国和俄罗斯；美国、欧洲空间中心致力于光波在大气湍流中路径传输的问题研究。关于激光传输方面,现已发展了许多不同的方法,如菲涅耳衍射积分、二阶矩方法、高阶矩方法和Wigner分布函数方法等来处理部分相干光束传输和变换问题。自从在1985年由Simon等提出以来,部分相干径向偏振光束在自由大气和近轴光学系统中的传播特性得到广泛深入的研究,包括理论和实验研究。近来,Cai等人又详细地研究了部分相干径向偏振光束在大气湍流中的传输特性。最近,Eyyuboglu和Baykal研究了余弦高斯光束和双曲余弦高斯光束在大气湍流中的传播。椭圆高斯光束和空心光束在大气湍流中传输特性也得到深入研究,之后又研究了厄密高斯光束或阵列在大气湍流中的传输特性。由于光在湍流介质中重要的应用，因此在湍流介质中的光传输研究方面近来已成为一个重要的研究课题，Gu和Gbur基于Rytov近似研究了贝塞尔光束在湍流大气中的传输特性。对部分相干径向偏振光束的偏振特性研究的一个简单有效的方法是在1998年由F.Gori等提出的，该方法即是光束相干偏振矩阵的处理方法，光束的偏振状态可由光束相干偏振矩阵来进行描述，如果用交叉谱密度描述光场的互相干性,则光束的偏振状态可由交叉谱密度矩阵来进行描述。

第2章 基础理论

2.1大气湍流

2.1.1大气湍流的概念

我们知道大气是随机的不规则的无时无刻的在运动着，在大气层中空气密度也会随大气的运动而改变，空气密度等因素的变化会引起大气湍流。上文中提到大气湍流作为大气运动形式的一种重要形态，它的存在明显增强了大气中的热量、动量、水气和污染物的垂直和水平的交换作用，这些因素之间相互的作用强度是远大于分子之间运动的交换强度的。

相关资料表示流体的运动主要有层流和湍流，层流是一种规则的运动，而湍流则是一种不规则的运动形态。作为不规则运动的大气湍流，它每一点上的速度、温度、压强等物理特性也会随湍流的运动而发生随机的变化。一般情况，大气湍流最常常发生的三个区域是：在大气底层的边界层内部、对流云的云层体内部、大气对流层上部的西风急流区域内部，在这三个区域内是大气湍流的高发区。此外，大气湍流的发生还需要在特定的动力学和热力学条件，当满足空气层中具有很明显的风速转变时以及空气层具有一定的不稳定性这两个条件时，大气湍流很有可能发生。在大气随机变化运动的过程中，当大气中下层的对流条件高于大气中上层的空气温度时最有可能发生湍流。以上讲诉的是大气运动在什么条件下可能会转化成大气湍流，下面介绍大气湍流的有关性质。