具有特殊空间相干结构激光束在海洋湍流中的传输特性研究

Since recently the interest in underwater optical communications, sensing, imaging and laser lidar appears, the detailed study of the laser beam propagation and transformation in oceanic turbulence is important and meaning. In this project, with the help of generalized Huggens-Fresnel principle and the matrix optics theory, the propagation and evolution of laser beams with special spatially coherent structure in oceanic turbulence are investigated. The mathematical and physical models of laser beams with special spatially coherent structure propagating in oceanic turbulence are founded. The oceanic turbulence propagation of scalar and vector laser beams with special spatially coherent structure, such as sinc spatial correlations, Hermite-Gaussian spatial correlations, Laguerre–Gaussian spatial correlations Schell-model beams, is studied. The effect of oceanic turbulence parameters including energy dissipation rate per unit mass, mean square temperature dissipation rate, temperature-salinity balance parameter on the spectral intensity, coherence, ploarization and phase of laser beams is investigated in order to obtain the information namely temperature, salinity and scale, etc. The interactional physical mechanism between laser beams with special.spatially coherent structure and the oceanic turbulence will be revealed. Some new properties of laser beam propagating in oceanic turbulence are acquired. The results obtained will provide the theoretical support for realizing some new applications of laser beams in underwater optical communications, sensing, imaging and laser lidar, etc.

随着水下光通信、传感、成像、激光雷达探测等应用的兴起，深入研究激光束在海洋湍流中的传输和变换特性是一个有重要意义的课题。本项目拟采用广义惠更斯-菲涅尔原理和矩阵光学理论相结合的方法，研究具有特殊空间相关结构激光束经海洋湍流的传输和演化特性。建立具有特殊空间相干结构标量和矢量激光束经海洋湍流的数学物理模型；研究辛格空间相关、厄米高斯空间相关、拉盖尔高斯空间相关等具有特殊空间相干结构标量和矢量激光束在海洋湍流中的传输特性；研究海洋湍流中湍流动能的耗散率、均方温度耗散率和温度-盐度波动的相对强度对激光束光谱强度、相干度、偏振和位相的影响规律，获取海洋湍流的温度、盐度和尺度等信息；揭示具有特殊空间相干结构激光束与海洋湍流相互作用的物理机制，得到激光束在海洋湍流传输中的一些新特性，为实现激光束在水下光通信、传感、成像、激光雷达探测等应用提供理论支持。

相比大气湍流，由于海洋湍流的复杂性，研究海洋湍流对激光传输的影响更具挑战性。近年来，随着水下光通信、传感、成像、激光雷达探测等应用的兴起，激起了人们对水下激光传输的研究兴趣，深入研究海洋湍流对激光传输的影响就显得非常重要。. 本项目研究了具有特殊空间相关结构激光束经海洋湍流的传输和演化特性。给出了几种特殊空间相关结构激光束经海洋湍流传输后光谱强度、相干度、偏振和位相的变化规律。主要研究内容有：（1）海洋湍流对具有特殊空间相关结构标量光束光谱强度特性的影响：研究了辛格空间相关、厄米高斯空间相关、拉盖尔高斯空间相关谢尔模型等标量光束经海洋湍流传输后光谱强度的变化规律，研究发现辛格空间相关谢尔模型光束经海洋湍流传输后光谱强度出现自聚焦效应，当增大海洋湍流参数到一定程度时，自聚焦效应会消失。（2）海洋湍流对具有特殊空间相关结构标量光束相干特性的影响：辛格空间相关谢尔模型光束经海洋湍流传输后相干度分布受到海洋湍流的影响较大，增加均方温度耗散率和温度-盐度波动的相对强度或减小湍流动能的耗散率可以使相干度分布区域减小。（3）海洋湍流对具有特殊空间相关结构矢量光束偏振特性的影响：研究了矢量多高斯空间相关谢尔模型光束偏振状态的变化规律。研究发现海洋湍流对矢量光束偏振状态有显著的影响，随着海洋湍流强度的增加，轴上偏振度减小，偏振椭圆的方位角发生旋转。（4）海洋湍流对具有特殊空间相关结构矢量光束相位演化特性的影响：研究发现辛格空间相关谢尔模型矢量光束在传输中的相位分布规律受到海洋湍流的影响较大。（5）具有特殊空间相关结构矢量光束在海洋湍流中的相干和光谱强度特性：研究发现厄米高斯和拉盖尔高斯空间相关矢量光束的阶数对海洋湍流传输中强度和相干度分布影响较大，同时偏振态受到海洋湍流的动态调制。上述研究成果为实现激光束在水下光通信、传感、成像、激光雷达探测等领域的应用提供了理论支持和技术指导。