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光束的等相面曲率半径是描述光束波前特性的重要参数。但是一般光束的等相面为非高斯面或非球面,使得解析方法研究等相面传输特性遇到很大困难。另一方面,高功率激光通常具有振幅调制和位相畸变,列阵激光束因在高功率系统和惯性约束聚变以及高能激光武器等各方面的普遍应用,日益受到人们的广泛关注。本论文采用等效曲率半径的方法,解析地研究了部分相干列阵光束以及有振幅调制和位相畸变光束通过大气湍流传输时光束曲率半径的变化特性。主要研究工作有:
1、推导了矩形分布列阵高斯.谢尔模型(GSM)光束通过大气湍流传输的等效曲率半径R的解析表达式。研究表明,R由湍流强度、光束参数以及列阵光束的叠加方式等因素共同确定。湍流使得R减小,但光强叠加时R受湍流的影响要比交叉谱密度函数叠加时R受湍流的影响小。自由空间中,交叉谱密度函数叠加时R比光强叠加时的大。随着湍流逐渐增强,交叉谱密度函数叠加的R可能大于、等于或者小于光强叠加时的R。另外,光束相干参数和子光束数目越小时,湍流对光束R的影响越小。GSM列阵光束的R受湍流的影响比高斯列阵光束要小。
2、推导出部分相干厄米.高斯(H-G)列阵光束通过大气湍流的等效曲率半径R解析式。该解析式可简化为几种典型特例。研究表明,在自由空间中,高斯列阵光束的R和高斯-谢尔模型(GSM)列阵光束的尺比部分相干H-G列阵光束的大,但是受湍流的影响也更大。在自由空间中,单束的部分相干H-G光束的R比部分相干H-G列阵光束的小,但是受湍流的影响也更小,光强叠加时,完全相干H-G列阵光束的R比部分相干H-G列阵光束的大,但是受湍流的影响也更大。因此,自由空间中R越大,湍流对R的影响也会越大。湍流会导致光束传输到一定距离后,原来在自由空间中大的尺变小,而小的R变大。
3、采用统计光学方法推导出截断的有振幅调制和位相畸变光束通过大气湍流的等效曲率半径R的解析表达式。研究表明,在自由空间中,位相畸变参量、振幅调制参量和光束截断参量越大,R越大,但其R受湍流的影响也会越大。在自由空间中高斯光束的R最大,但其受湍流影响也最大。因此,在湍流中,光束传输到足够远时,截断的有振幅调制和位相畸变光束的R要比高斯光束的大。此外,相对等效曲率半径Rr随传输距离的变化为非单调的,存在一个最小值,在该位置处R受湍流的影响最大。另外,达到Rr最小值所需的传输距离随着光束位相畸变和振幅调制的加剧而增大。