特殊关联扭曲光束产生及其大气湍流传输特性

Laser beam propagation in atmospheric turbulence is an important issue that must be considered in the fields of free-space optical communication, Lidar and remote sensing etc., which induces negative effects on laser beam, such as decoherence effect, beam spread, scintillations, beam wander, and angle-of-arrival fluctuations. These negative effects seriously restrict the application and development of laser in the field of atmospheric optics. This project aims to investigate the generation of twisted beams with nonconventional correlation and their atmospheric turbulence transmission characteristics by simultaneously manipulating the correlation structure and phase. Under the physical realizability conditions, we will design variety twisted beams accompanying nontrivial propagation features such as self-accelerating, self-healing, self-splitting and self-focusing by manipulating correlation structure. Reveal the orbital angular momentum characteristics of such beams, and develop a stable experimental generation method. To deal with the long-distance, high-date-rate free-space optical communication system. We will study the propagation properties of nonconventional correlation twisted beams in atmospheric turbulence. We will delve into the theory of turbulence and various turbulence power spectrum models, explore new models and methods for suppressing the scintillations of atmospheric turbulence. This research has many potential applications in free-space optical communication, Lidar and atmosphere science.

激光在大气湍流中的传输问题是自由空间光通信、激光雷达、遥感成像等领域必须考虑的重要课题，其传输过程中存在的退相干效应、光束扩展、光强闪烁、光束漂移以及到达角起伏等负效应，严重制约了激光在大气光学领域中的应用和发展。本项目旨在探索具有特殊关联扭曲光束的产生及其在大气湍流中的传输特性，发展空间光场关联结构与相位结构的复合调控方法。在满足物理真实性条件下，设计具有自加速、自修复、自分裂以及自聚焦等新颖传输现象的特殊关联扭曲光束，揭示这类光束的轨道角动量特性，同时发展稳定可靠的实验产生方法；针对长距离、高传输速率的自由空间光通信系统，深入研究现有的湍流理论和各类大气湍流模型，研究特殊关联扭曲光束在各种大气湍流中的传输演化特点及规律，探索抑制大气湍流光强闪烁的新模型和新方法。这项研究工作在自由空间光通信、激光雷达和大气科学上有多种潜在的用途。

近年来，对光场自由度的单一或联合调控引发了一系列新奇物理效应。一方面，相比于完全相干光场，特殊关联结构光场在抵抗大气湍流扰动和散斑噪声等方面具有独特优势，另一方面，非常规的扭曲、涡旋相位结构使光束具备携带轨道角动量的能力，在自由空间光通信、信息鲁棒传输、光学加密与成像、高质量光束整形等领域有着重要研究价值。本项目主要开展了光场关联结构和相位结构的复合调控，并进一步研究了光束在大气湍流中传输的新现象和新特点。在光场复合调控方面：研究了部分相干高斯涡旋光束、扭曲多高斯光束在梯度折射率光纤中传输的周期性自聚焦现象，分析了初始各光参量间的限定条件及其与介质的相互作用；验证了一种具有光束自修复能力的基础扭曲光束模型；在实验上基于二维叉型光栅产生了一种涡旋光束分束阵列，实现了携带不同轨道角动量光束阵列的调控及产生。在光束大气湍流传输方面：研究了阵列关联扭曲光束及多高斯关联扭曲光束在Non-Kolmogorov各向异性大气湍流中的传输规律，深入分析了光束初始关联结构和相位结构对远场光束强度分布、相干度分布和轨道角动量分布的影响特点；基于部分相干光模式叠加理论，研究了阵列关联扭曲光束在大气湍流中传输的光强闪烁问题；考虑到高能激光在大气传输时还会引起大气热晕效应，基于多相位屏法和微扰法，研究了涡旋光束在大气中传输的稳态热晕效应。我们的研究成果很好的丰富了光场调控理论基础，在自由空间光通信、光纤通信、光束整形以及激光武器等实际应用中具有潜在应用价值。