部分相干环状平顶光束在大气湍流中的传输特性

部分相干环状平顶光束在大气湍流中的传输特性 部分相干环状平顶光束在大气湍流中的传 输特性 2011年4月 第30卷第2期 重庆文理学院(自然科学版) JournalofChongqingUniversityofArtsandSciences(NaturalScienceEdition) Apr.,2011 V01.3ONO.2 部分相干环状平顶光束在大气湍流中的传输特性 陈晓文,贺超,魏小琴,汤明王月 (川北医学院影像系,四川南充637000) [摘要]文章研究了部分相干环状平顶光束在大气湍流中的传输性质,并推导出该光束在大 气湍流中的角扩散解析 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 达式.研究表明,在一定条件下,两个不同的部分相干环状平顶光束, 环状高斯谢尔模型(GSM)光束能够在自由空间及大气湍流中传输具有相同的角扩散.对该理 论结果给出了相应的物理解释. [关键词]传输特性;大气湍流;部分相干环状平顶光束 [中图分类号]0435[文献标志码]A[文章编号]1673—8012(2011)02—0037—04 激光在湍流大气中的传输是一个有重要理论 和实际应用意义的课题lJ,近年来已有大量文献研 究了各种激光束在湍流大气中的传输特性.科 研工作者从理论及实验上证得空间部分相干光与 完全相干光在湍流中有相同的方向..环状激光 束由于其在现代光学及原子光学中的广泛实用性 而被人们重视.文献[5]指出:环状激光束在湍流 中的扩展与光源参数,M,N,A有关. 在本文中,我们研究部分相干环状平顶光束 在大气湍流中的传输性质,拟通过积分变换得到 光束在大气湍流中的角扩散解析表达式,得出了 不同的部分相干环状平顶光束在一定条件下都 具有相同的方向性.该结论对我们的理论和实际 应用均有指导作用. 1角扩散的理论推导 基于广义惠更斯一菲涅尔原理,环状部分相 干平顶高斯光束沿方向传输的光强表示为 l(r,z)=()(.-0)× exP{一()[(,..一,:)一 2(r1?r1一r2?r2)十(r1一r2)]× <exp[~(,.,,1,z)+O(r,,.2,)]>. (1) ,.(,y)分 其中,r(,Y)(=1,2)和 别为源场处(Z=0)和远场处的二维矢量坐标, W(r,r:,.=0)为源场处(.=0)部分相干 环状平顶光束的交叉谱密度函数,为波数( =2,n'/A),(,,,,.)表示大气湍流对球面波影 响的随机相位因子,<>表示系综平均,且 <exp[(,,,.l,z)+l(,,,2,)]> expl一J.J.[1一J0(K~Ir一,.1)]dI. (2) 其中,J.(?)为零阶Bessel函数,(,c)为大气 湍流的谱分布. 令 r+r = ,=r2+,.I.(3) 则(1)式可写为 I(r,z)=()d2vW.:0)× exp(一ik.)exp( .1,)× exP{一4不ff,((,()[1一Jo(,c)]dKd~1. (4) 当环状完全相干平顶高斯光束通过旋转的 毛玻璃或液晶后即可产生部分相干环状平顶光 束.源场处(z=0)的部分相干环状平顶光束 [收稿日期]2010—12—28 [基金项目]川北医学院苗圃基金(09—11). [作者简介]陈晓文(1984一),男,江两人,助教,硕士,主要从事激光传输与控制方面 的研究 37 的复振幅可表示为 %(r,:0). (,,z=0)=Uo1(r,=0)一 (5) 其中 z-0)= .xp[_(mp篆)]× … Ea.exp【_(W)】?n=1n (6) 将(6)式中W0改为.,即得(,,=0), 其中0<<1. 部分相干环状平顶光束在源场处(.=0) 的交叉谱密度表达式为 '.(,l,,2,=0)=Vo(,1,=0)? (,2,=o)z'.(,l,r2,:0) =,0lt(,.1,,2,0)+22(,l,,2,0)一 r0i2(,l,,2,0)一,021(rl,r2,0). f7) 冥中 , ,,0)=??? 唧[_(W#0 )】eXpf一ZO"0 】×LJL 11 p[一(印)1×n 唧【一].(8) 将(8)式中加0改为.,即得Wo2(,..,,,0). .2(rl,r'2,0)= 兰?Ma.a~exp[一(Xrl2一+t22)1×. 一 (m . )]× exp【一】× ?NNp卜(印t2+Yr222EOlnOLnex)】×…p卜(印nWo + gWo1)】×n=n=l 唧[_].(9) 将(9)式中的1,0.改为占.并将占.改为., 即得(,,r2,0). (8),(9)式中的.为束腰宽度,.为光源 相关长度,M和N为部分相干环状平顶光束的 模阶数,.'(,.,,,z=0)为源场处相干度.其, 中的 = (.一M孚(=.), (10) . = (",肼=N( t=n (11) 图I为源场处部分相干环状平顶光束光强 分布等高图.其中,:0.9,W.=0.08m及M : N=4 图1源场处部分相干环状平顶光束光强分布图 将(7)式代人(4)式,并利用(3)式,得: I(r,):,1l(,,)+(,,)一,l2(r,z)一,2l(,,). (12) 其中 Ii1(r,z)=().× ?M?M, .p[-(mp笪+m, exp[-m+ mmU m,)].p[一2] xmpn—— Wo 一 p O"o x 二 ?M?M, .p[一(rip兰L+…lexp[-n + m,)].p[_2] × exp(一"?)exp(?l,)exP{_41T.× (1-J0()蚓.(13) 若将(13)式中W.改为EW.,即得,2(,,). 112()=()d"× ?M兰,p[_(mp(mp+mexp[_m+ m,P,)]exp卜芝]×m,—————一L一J× ?M?Ma.a.,exp[一(印+一(印n+ nn0wfl n,pIl,)]exp[一芏]×n'p—————{———一)jl一=j× exp(_?)exp(?,,)exp{一4,rr2× (l(d(1(14) 若将(14)式中.改为.且.改为.,即 得12.(,,z). 根据二阶矩宽度定义,我们可将部分相干 环状平顶光束光强的二阶矩宽度表示为 z():2 — fi.. r2 — 1( — r, — z) 一 dZr . (15) 』J,()d', 通过复杂积分运算得到 ?=++(16) 其中 A={MM辜Nc击+麦c+一MMN ;N[—'1+1)+ — 志c壶+丧)/c', B={MM车N一Pe一+ J4M拿N—c+ c+c+R2 QQQQ)/c'——一l——+——},一f——+,1f/fv'瓜s.川J/ (18) c= MMNN — P(+)一 R.=(mp)(mp,).(25) 将(21),(25)式中及m分别改为n和n,即 得Q,Q,Q和:. 在(16)式中,等式右边前两项表示部分相干 环状平顶光束通过自由空间传输光束的二阶矩, 这与光束参数0,Oro,M,N,A和有关;第3 项表示大气湍流对光束二阶矩的影响,与光束源 参数无关. 2角扩散的数值计算 在(20)式中,若采用Tatarskii谱,则 (,()=0.033C,,2,c11/3exp(一). ,(n (26) 其中,为折射率结构常数,f.为湍流内尺度, ,(=5.92/10. 将(26)式代人(20)式并通过复杂积分运 算,得到 =4.373C.2Z F 0 - 1/3 . (27) 在本文数值计算中,我们取=0.01,则 (27)式简化为 F=20.298C:.(28) 从(16)式可得湍流中部分相干环状平顶光 束角扩散表达式为 ?一 lim Z =+.(29) 卜?,\/一 (29)式表明,在自由空间中,部分相干环状平顶 光束角扩散与光源参数(.,or.,M,N,A, )有关,但其湍流项凡是与光源参数无关的. 由(29)式可知,如果满足条件 1 : 垒1,(30)Z,//l;Al/fA2 则由角下标"A1","42"分别标明的两个不同的 部分相干环状平顶光束在自由空间和大气湍流 中都将会有相同的角扩散. 若取M=N=1,则(29)式简化为 MMN害c—志+志,? F=叮rK(,c)d,c,(20)其中 POl,Ol,, Ql=mp+m,, Q3:,+m,, Q5=mp+,nP,, Bl= (一)1+[1— 21+O-o' (31) 2 (1+s) L一 21+ (32) 39 (31)式为环状GSM光束的角扩散表达式.由 (29)式与(31)式可知,若条件(30)满足,可得到 结论:部分相干环状平顶光束和环状GSM光束 在自由空间及湍流中都有相同的角扩散. 图2给出了不同参数下(相关参数如表1所 耄 示)的部分相干环状平顶光束a,c和环状GSM 光束b在自由空间及大气湍流中二阶矩宽度 w(z)随距离z的变化.由图2可知,部分相干环r 状平顶光束,环状GSM光束在自由空间及大气 湍流中的传输具有相同的方向. 表l部分相干环状平顶光束和环状GSM光束的参数 图2二阶矩宽度w()随距离z的变化 其物理解释如下:w.,越小,光束在自由 空间中的扩展越小;而(N),A越小,光束的 扩展越大;另一方面,or.越小表示空间相干性越 差,即光束质量越差,这导致角扩散越大.因此, 在自由空间中衍射和空间相干是调节扩散角的 两种竞争机制.(29)式中湍流项与光源参数 这与文献[7]中表I所示不同.综上,可通 无关, 过选取适当的光源参数(.,.,M,N,A, )来平衡衍射和空间相干以使各光束在自由空 间及大气湍流中都有相同的方向.因而部分相干 环状平顶光束有更多的条件选择以达到衍射和 空间相干的平衡. 3结论 本文研究了部分相干环状平顶光束在湍流 中的传输性质,并推导出光束的角扩散解析表达 式.(29)式表明在自由空问中,部分相干环状平 顶光束角扩散与光源参数(加.,or.,M,N,A, )有关.在(30)式满足的情况下,两个不同的部 40 分相干环状平顶光束在自由空间和湍流中有相 同的角扩散.满足一定条件下,部分相干环状平 顶光束能与环状GSM光束在自由空间及大气湍 流中的传输具有相同的方向性. 【参考文献] [1]AndrewsLC,PhillipsRL.Laserbeampropagation ?throughrandommedia[M].SPIEPress,Bellingham, Washington,1998. [2]汤明明.部分相干双曲余弦高斯光束通过湍流大气 传输空间相干性的变化[J].重庆文理学院:自 然科学版,2010,29(4):20—23. [3]CollettE,WolfE.Iscompletespatialcoherenceneces— saryforthegenerationofhilydirectionallightbeams? [J].Opt.Lett,1978,2(2):27—29. [4]ShiraiTomohiro,DogafiuAristide,WolfEmil.Direc— tionalityofGaussianSchell—modelbeamspropagating inatmosphericturbulence[J].Opt.Lett,2003,28 (8):610—612. [5]CaiYangjian,HeSailing.Propagationofvariousdark hollowbeamsinaturbulentatmosphere[J].Opt.Ex— press,2006,14(4):1353—1367. [6】QiuY,GuoH,ChenZ.Paraxialpropagationofpartial— lycoherentHermite—Gaussbeams[J].Opt.Com— muu,2005,245(1):21—26. [7]CaiY,ZhangL.Coherentandpartiallycoherentdark hollowbeamswithrectangularsymmetryandparaxial propagationproperties[J].J.Opt.Soc.Am.B, 2006,23(7):1398—1407. [8]LiY.Newexpressionsforflat—toppedlightbeams[J]. Opt.Commun.,2002,206(4—6):225—234. [9]陈晓文,季小玲.湍流对环状光束扩展的影响[J]. 物理,2009,58(4):2435—2443. (下转第58页) Theresearchandapplicationofnoise CNNhyperchaoticsynchronous immunityof system ZHUYan—ping 'DepartmentofComputerScience,XinyangA9ncuHura|College,XinyangHena464000,C hina) Abstract:Basedonthedesignideaoffull— dimensionalstateobserver,theCNNhyperchaoticsynchroniza— tionsystemwasconstructed.Agivensoftthresholdwaveletde—— noisingtechniqueswasusedtoremovechan- Be1noise.selectionmatrixwascombinedandthemethodofmakingupthedifferencetoremo veinformation sourcenoisewasused.Anditwasappliedtotheimagesecurecommunicationsystem;thesimu lationresults indicatethesemethodshavegoodnoiseimmunity. Keywords:CellularNeuralNetwork(CNN);hyperchaotic;noise;wavelet (责任编辑吴朝平) (上接第40页) Thepropagationpropertiesof flat——toppedbeams partiallycoherentannular throughturbulence CHENXiao—wen,HEChao,WEIXiao—qin,TANGMing—yue (ImagingDepartment,NorthSichuanMedicalCollege,NanchongSichuan637000,China) Abstract:Thepropagationpropertiesofpartiallycoherentannularfiat— toppedbeamsthroughturbulenceare studied,andtheclosed— formexpressionfortheangularspreadofpartiallycoherentannularflat—topped beamspropagatingthroughatmosphericturbulenceisderivedbyusingtheintegraltransformtechnique.Itis shownthat,underacertaincondition,twodifferentpartiallycoherentannularfiat— toppedbeamsandannu— larGSMbeammaygeneratethesamedirectionalitybothinfreespaceandinturbulence.Thetheoreticalre- sultsareillustratedbynumericalexamplesandinterpretedphysically. Keywords:propagationproperties;atmosphericturbulence;partiallycoherentannularfiat—toppedbeam (责任编辑吴强) (上接第50页) PlanningandimplementationofphysicalnetworkingofIP,r6basedon theresourcessharingcenterofChongqingUniversityCity CHENA—lin,XIAOWei.SUNWei—vi,QIXiang—zhi (1.InformationTechnologyCenter,ChongqingNormalUniversity,ShapingbaChongqing401331,China; 2.ChongqingEducationInformationTechnologyandEquipmentCenter,ShapingbaChongqing400015,China) Abstract:TheresourcessharingcenterofChongqingUniversityCityhasconnectedtoChongqingeducation networknode.Basedonthat,accordingtotherequirementofsettingupIPv6networkoftheinstitutessettled inChongqingUniversityCity,thewavelengthdivisionmultiplexingtechnology,dualstacktechnology,IPv4/ IPv6tunneltechnologyareusedtosetupIPv4/IPv6networkandpureIPv6network.andthespecificadvice ofimplementationareintroduced. Keywords:IPv4;IPv6;CERNET2;wavelengthdivisionmultiplexing;dua1Stack 58 (责任编辑吴朝平)