大气湍流中高斯空心涡旋光束的焦面光强分布.pdf

光子学报 V01．38 第38卷第8期 NO．8 ACTA 2009 2009年8月 PH()T()NICASINICA August 大气湍流中高斯空心涡旋光束的焦面光强分布* 仓吉，张逸新+，徐建才 (江南大学理学院，江苏无锡214122) 摘要：运用广义惠更斯一菲涅耳原理和相位结构函数的平方近似，研究了聚焦高斯空心涡旋光束 通过湍流大气传输后在焦平面内的光强分布的理论模型，同时分析了不同大气折射率结构常数 C：、聚焦距离、光束拓扑荷和湍流外尺度对焦面光强分布特性的影响．结果表明：随着聚焦距离的 增加，焦面光强分布由中央凹陷状向高斯分布转变．弱湍流对焦面光强分布的影响可以忽略；高拓 扑荷光束在湍流大气中传输时光波奇异性的保持较低拓扑荷奇异光束要强；随着湍流外尺度增加， 焦面光强分布的中央凹陷状变浅，光强分布变平滑． 关键词：大气光学；光学涡旋；大气湍流；焦斑；光束传输 中图分类号：TN929．12；P427．1文献标识码：A 2] 为61处的场分布可表示为u 0 引言 (1) E(r，o)=u(，，0)exp(一i知2) 近年来，涡旋光束由于其在现代光‘’#：中的广泛 应用而越来越受到人们的重视[1‘2]。对光学涡旋的研 Wo r， 嘶埘=E蚓Wo”唧f一1r2oWok(pxe)0ni(pxe 究已逐渐发展成为一门新的光学分支——奇异光 (行=0，1，2，3…) (2) 学f3]．光学涡旋有螺旋式相位结构，光场中存在奇异 式中，一(r，口)是光源平面内的二维位置矢量，胛是 点，在奇异点处，振幅为零且相位不确定．任何光束， 光学涡旋的拓扑荷，CO为角频率，叫。是高斯波的束 若具有拓扑荷为的螺旋式相位结构exp(in0)，则其 腰．光场的涡旋特性由相位因子exp(in0)所决定，式 带有光学涡旋且携带轨道角动虽【4-5]．目前，人们已 中指数项表示曲率半径为，的会聚球面波相位因 广泛研究了涡旋光束在自由空I．日J和近轴光学系统中 子，U(r，0)表示入射到会聚透镜的光波． 的传输特性．然而大气湍流将改变光束的传输特性 在近轴近似下，由广义惠更斯——菲涅耳原理 和降低光束的质量，正因为如此，人们对此已进行了 可计算得出大气湍流中接收面上激光的平均光 大量研究№9|．文献r6-]研究r李问受限激光束的湍 314] 强‘1 流扩展特性，Young研究了高阶模激光束的扩展特 o) 性【7]．季小玲等采用将部分相干双曲余弦高斯光束 I(p∽=岳黝E(r1，O心(r2 用厄米——高斯光束的非相干叠加表示的方法研究 (3) 了其通过湍流大气的光束扩展问题¨j以及研究了一