摘 要

随着科学与技术的发展，空间激光通信正在逐步的走向我们。由于人们需要应用激光的不同性质，各种各样的激光光束就因此被产生出来。径向偏振光束则有着其独特性质，逐渐引起了人们的关注。

本文以空间激光通信的实际应用为背景，对部分相干径向偏振光束通过湍流大气后的相干性以及一些其他特性进行了详细的研究。本文的主要工作和取得以下的成果：首先简单介绍了空间激光通信的发展背景，然后简单的介绍了大气湍流的定义及形成、交叉光谱密度矩阵的计算方法以及部分相干径向偏振光束的相干度表达式的表示方法。详细介绍了径向偏振光束的产生方法以及其特性，并简单的分析了径向偏振光束研究方向和发展期望。利用Wolf相干度表达式，对部分相干径向偏振光束通过湍流大气后的相干性进行了数值分析，得出其相干度的演化特性。

研究结果表明在自由空间中，随着传输距离的增加，部分相干径向偏振光束相干度将会逐渐由负值增加到正值，最终成为完全相干光。在湍流大气中传输时，随着距离的增加，部分相干径向偏振光束的相干度将逐渐减少至零，最终变为完全非相干光。本文的研究结果对部分相干径向偏振光束在湍流大气中的应用有着引导作用。

关键词：部分相干径向偏振光束；相干度；湍流大气；传输特性

Abstract

With the development of science and technology, space laser communication is gradually toward us.Because people need to apply different types of laser, a variety of the laser beam is generated and therefore it out.

The radially polarized beam has its unique nature, gradually attracted people's attention. In this paper, the practical applications of space laser communications as background, partially coherent radially polarized beam has been studied in detail by the coherence and other properties after a turbulent atmosphere. The main work and achievements are as follows:This paper introduces the development background of space laser communications, and simply introduces the definition of representation and formation of atmospheric turbulence, cross spectral density matrix calculation method, and partially coherent radially polarized beam of coherent expression.This paper describes a method for generating a radially polarized beam and its characteristics, and a simple analysis of the radially polarized beam research and development expectations.Wolf coherence of expression on the part of the radially polarized coherent beam was numerically analyzed by atmospheric turbulence after the coherence of its results - evolution of the degree of coherence.

The results show that in free space, with increasing transmission distance, partially coherent radially polarized beam coherence will gradually from negative to positive, and eventually become completely coherent light. Transmission in the turbulent atmosphere, as the distance increases, the degree of coherence of the partially coherent radially polarized beam will be gradually reduced to zero, and eventually become completely incoherent light. The results of this paper, partially coherent radially polarized beam in turbulent atmosphere has application guide.

Key Words：Partially Coherent radially polarized beam; Degree of coherence; Transmission characteristics; atmospheric turbulence;

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 大气湍流的形成及描述 2

1.2 交叉光谱密度矩阵的相关理论 3

1.3 部分相干径向偏振光束的相干度 3

1.4 论文主要内容 4

第2章 径向偏振光束的产生方法及其特性 6

第3章 光束在湍流大气中传输理论分析 9

3.1 光束在湍流大气中传输理论分析 9

3.2 部分相干径向偏振光束在湍流大气中传输特性的模拟 12

3.2.1部分相干径向偏振光束在湍流大气中的相干性 12

3.2.2部分相干径向偏振光束在湍流大气中的其他传输特性 15

第4章 结论 17

参考文献 18

致 谢 19

第1章 绪论

自从1960年7月8日，世界上第一台红宝石激光器的诞生，已经快过去六十年了，而如今，激光行业的迅猛发展，描述和测量激光光束自身特性开始引起了人们的高度关注，如激光光束的发散，激光光束的能量、质量等性质^[1]。当今信息时代，空间激光通信技术已经成为至关重要的技术，如今，人们需要建立传输速率比原来更快、覆盖空间更广以及拥有更大的信息量的通信网络系统。人们普遍认为采用波长极短的光波来进行空间卫星通信,是实现高码率通信的最佳方案,特别是现在的空间卫星越来越多,这一点已经取得了通信领域许多专家学者的共同认可。激光光束通过湍流大气后的光束特性与大气激光通信、激光探测和激光遥感的质量有着不可分割的联系。当激光光束在湍流大气中传输时，由于所通过的湍流大气的随机性较为复杂，所以光束特性的变化将比在自由空间中传输时更加复杂。目前国内外的科研工作者已经密切关注激光光束在湍流大气中的传输特性。在传输的问题上，人们开始发展了许多不同的方法，比较常用的为菲涅尔衍射积分、二阶矩方法、高阶矩方法以及Wigner分布函数方法^[2]，用这些方法来处理部分相干光束的传输和变换，近几年来，Lin.Q等一些有名的科学家提出了一种简易的张量方法，该方法被用来代替传统的Wigner分布函数来处理部分相干光束的传输和变换。运用张量的方法可以十分方便的研究部分相干光束经过复杂光学系统、色散介质、扰动大气以及非线性介质的传输性质。

许多人的关注径向偏振光是因为其有着偏振态关于光轴的对称性并且始终存在的轴上光强为零等特点。在经过聚焦系统汇聚后,部分相干径向偏振光的焦点的性质与普通光束的性质有所不同。部分相干径向偏振光束焦点区域在传播方向上和径向上都有光场分量,而在方位角方向上确不存在分量,部分相干径向光场分量在焦平面上形成的是圆环形的光斑,而轴向光场则是一个中心光强大的圆斑;通过比较径向偏振光场和轴向光场的强度，我们可以发现轴向光场分量比径向光场分量弱许多,圆环光斑中心点是一个光强极小值;径向偏振光在焦点附近比均匀偏振光有更强的纵向分量,而方位角偏振光没有纵向分量。这些特点使它们在显微镜,平板印刷,频率位移,电子加速,光学捕捉和控制材料加工以及高分辨测量等中起到了至关重要的作用。在光镊中，人们越来越重视利用这种方法来观察捕获纳米微粒,微流体分类,构建近场光学显微镜,甚至可以捕捉和操控单个细胞或染色体,这对于细胞内单分子级的图像研究提供了一个新型的研究方法。径向偏振光做光镊可以捕捉金属瑞利微粒，金属微粒由于其很强的散射力和吸收力而很难捕捉。在三维空间中，用径向偏振光产生的光镊可以稳定地捕捉金属微粒。当径向偏振光束通过高数值孔径时，聚焦后的光束轴向分量很强,就会产生很大的梯度力。同时这个轴向场分量对沿光轴的波印廷矢量没有贡献。因此,它不会产生轴向的散射力和吸收力。利用梯度力和散射空间上的分离,可以用来稳定捕捉金属微粒^[3]。