湍流大气中涡旋光的研究

《激光与光电子学进展》第14期封面文章|李亚清, 王利国, 王谦. 湍流大气中环形Airy高斯涡旋光束的强度和相位特性[J]. 激光与光电子学进展, 2019, 56(14): 140101

自然中有很多涡旋现象：

比如：空气涡旋

又如：海洋涡旋

形似这些自然现象，科学中也有涡旋。

携带有轨道角动量(OAM)的涡旋光束具有特殊的螺旋相位结构，光强为环状分布并且具有中心暗斑，其在光通信领域具有极其重要的应用前景。

具有圆柱对称的环形Airy高斯涡旋（RAiGV）光束是最近引入的一种突然自聚焦波束，其在自由空间光通信系统中传输时，由于受湍流大气的影响，易发生光束的漂移、扩散、光强闪烁等效应。那么，湍流大气如何影响Airy光束的呢，西安工业大学李亚清博士课题组对此展开了研究。

图1 涡旋光束

该团队采用分步傅里叶算法，数值模拟研究了RAiGV光束在自由空间传输的强度和相位分布特性。

图2(a)中截断参数的大小不影响Airy环的宽度，但影响每个环的强度，且对靠近高斯空心的第二个环的强度影响最大。图2(b)中，光束强度随着初始Airy环半径的增大而增大。图2(c)中，高斯空心的半径及Airy环的宽度都受分布因子的影响。分布因子对Airy环和高斯空心之间的尺度（在强度分布范围内Airy环的数目）影响较大。

图2 自由空间中，(a) 截断参数a, (b) 初始Airy环半径r0, (c) 分布因子b对RAiGV光束的强度影响

同时，该课题组采用谱反演法生成随机相位屏来模拟湍流大气，研究了RAiGV光束在湍流大气中传输的强度和相位分布特性。

由于湍流大气的影响，随着传输距离的增大，光束的强度和相位发生畸变。相位屏边缘存在一些干涉条纹(这是由于光波从一个相位屏传播到下一个相位屏的过程中，由于随机介质产生的散射，会使能量超出计算区域。这些超出的能量并未消失，而是会随着传输距离的增加，附加到网格的另一面，从而产生了边界效应，即干涉条纹)。此外，同一传输距离下，分布因子值越小，光束的强度及相位波前随传输距离的变化越明显。

该课题组还研究了传输距离、分布因子等参数对光束平均强度的影响规律。

图3所示，湍流大气中RAiGV光束的平均强度随传输距离的变化也呈Airy函数分布。b=0.1和0.5的光束平均强度随传输距离的变化较稳定，而分布因子b=0.3的光束平均强度变化范围较大。由图3结果所示，采用RAiGV光束进行光通信时，选取合适的分布因子才能使光束具有更好的稳定性和传输质量。

图3 湍流大气中RAiGV光束在不同分布因子下的平均强度随传输距离的变化

基于激光测距、定位、跟踪等应用的需求，课题组将在此研究的基础上进行粗糙目标对涡旋光束的反射及散射特性研究，为湍流大气中含有合作目标的激光双程传输系统的性能影响及抑制湍流大气的负面影响等方面提供理论及技术支撑。