【摘要】：激光通信技術具有通信容量大、保密安全性佳、設備經濟便攜等優(yōu)勢,在海洋通信領域有潛在的應用價值。由于水下存在溫度、鹽度分層以及受到海洋表面風力等因素影響形成的流速場,使得實際海洋湍流場情況復雜且強度各向異性。激光通信會受到水下湍流的影響產生光束擴展、光束漂移和光強閃爍等阻礙光傳輸的過程。Airy光束作為一種近似無衍射的特殊光束,具有傳統(tǒng)Gaussian光束不具備的自愈合、自彎曲等優(yōu)良特性,使其在對抗湍流效應中的運用受到學者的關注。論文在采用更貼合海洋湍流真實情況且便于計算的海洋湍流折射率功率譜的基礎上,研究Airy光束在弱湍流條件下中長距離傳輸的擴展、漂移和光強閃爍特性,并與Gaussian光束在相同湍流場的傳輸特性比較。論文利用交叉譜密度的方法得到Airy光束擴展特性的物理表達式,數值模擬獲得光束擴展特性在不同光束參量及湍流場強度參量下隨傳輸距離的變化。仿真和實驗基于功率譜反演生成湍流相位屏,并使用相位屏光傳輸法進行驗證光束擴展特性與湍流強度和光束參量的關系。比較相同傳輸條件下Airy光束和Gaussian光束的光束擴展特性,進而驗證光束擴展理論和數值模擬的可靠性。從光束漂移的瞬時質心的位移均方定義式出發(fā),經過幾何光學近似代入新的湍流折射率功率譜模型,獲得通過海洋湍流的擾動后Airy光束漂移的物理表達式,數值計算不同截斷因子、主瓣尺寸以及湍流強度參量下光束漂移隨傳輸距離的變化。仿真和實驗討論不同光束參量和湍流強度參量分別對Airy光束和Gaussian光束的光束漂移特性的影響,驗證光束漂移理論和數值模擬的可靠性。根據弱湍流條件下一階Rytov近似,得到表征光強閃爍強度的系數表達式,進行了不同截斷因子、主瓣尺寸以及湍流強度參量下光強閃爍系數數值模擬。在不同物理條件下從仿真和實驗得到的經過隨機相位屏擾動后接收平面光強分布中,使用自編程序處理并提取出不同物理參量下的光強閃爍系數驗證理論和數值模擬的結果,并比較Airy光束與Gaussian光束在相同條件下的光強閃爍。論文比較了傳輸仿真和實驗所得Airy光束和Gaussian光束的擴展、漂移和光強閃爍,發(fā)現Airy光束比Gaussian光束在抵抗湍流效應方面具有優(yōu)勢,這為Airy光束替代傳統(tǒng)光束應用于海洋光通信領域提供了理論支撐。
【圖文】：

iry 光束從無限振蕩的能量化為有限能量，在實驗中產生iviloglouGA 等人在進行理論推導研究時發(fā)現對包含 A傅里葉變換，得到包含三次立方相位因子的 Gaussian 分驗，利用空間光調制器對 Gaussian 光束加載立方相位傅里葉變換便可生成 Airy 光束，完成了實驗上 Airy 光圖 1-1 所示。實驗通過對 Ar 離子激光器出射光進行擴n 光。經過反射鏡和分束鏡直入射至 SLM，實現了光束直反射出分束鏡后，用透鏡做 Fourier 變換。最后在光攝獲得其接收面的光場分布。他們還發(fā)現并驗證了 Air的彎曲傳播軌跡如圖 1-2 所示，可以發(fā)現光束沿著曲線無限能量 Airy 光束傳播的軌跡示意圖。圖 1-2(b)為已 Airy 光束傳輸情況。圖內參量s x 為歸一化的橫向傳輸距離。該實驗產生 Airy 光束過程中 SLM 加載的一3(a)及圖 1-3(b)所示。

圖 1-2 Airy 光束在自由空間中傳播圖[17]圖 1-3 首次觀測 Airy 光束的相位模板[17](a)一維相位模板 (b) 二維相位模板08 年，Broky J 等人通過光束內部橫向功率流理論解釋了 Airy 光束]。實驗研究了光束在非均勻散射及湍流介質中的自重塑能力，其觀擬合非常吻合。從而得到 Airy 光束截面在傳輸中因被遮擋或者受到過光束自身修復，使能量從旁瓣自動流動到主瓣使光截面恢復到原
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：O357.5;TN929.1

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本文編號：2664986