摘要
激光具有高强度、高相干性、高方向性等特性，广泛应用于通信、探测和传感等领域。在应用中，有两个因素严重制约着其应用效果:衍射效应和波前畸变。光束的衍射特性使其在传输过程中能量逐渐分散，显著降低激光束在远距离传输后的能量密度。无序介质如自由空间和湍流中的折射率变化会引起激光场的波前畸变，导致激光光强起伏、光束漂移和光束扩展等问题。为拓展激光在通信、雷达和探测等方面的应用，研究能够在无序介质中稳定传输的激光束具有重要意义。本文利用消除横向波矢的理论，提出了通过设计新型光场分布，使激光在传输过程中逐步消除波矢，从而产生出能够稳定传输的光场，并对光场在湍流中的传输特性进行了实验和分析，探究了新型光场的抗湍流能力。本文的研究主要分为三大部分: 1、提出了一种利用光束相干消除横向波矢的方法。从理论、仿真和实验三个角度验证了光束相干合成过程中消除横向波矢的可行性。研究发现光束相干合成区域的中心光强是单个高斯光束的3.38倍，光束半高全宽尺寸在相干合成区域基本不变，光束相干合成前后两光束的夹角基本相同。相干合成区域随着两光束入射夹角的减小而增大，当夹角从5.42mrad减小到3.35mrad时，相干合成区域从100mm增大到300mm，即增大了消除横向波矢的区域。在该区域内光强分布稳定，光斑形貌保持不变，波前畸变小。 2、提出了利用横向波矢消除理论和艾里光束阵列产生理论构建新型光场的方法和机制，使艾里激光束阵列在传输过程中逐步消除横向波矢，产生出能够抑制湍流影响的光场。完成了新型光场构建实验，实验产生效率达到90％以上，在应用难度和成本方面远低于传统的抗湍流方法。分析了该光场在水湍流环境下的传输性能，10s内采集了200张图像，分析得该光束的瞬时光强与此段时间的平均光强差别不大，并且其强度随时间的变化明显较小。通过与相同传输条件下的高斯光束定性和定量的对比，证明了该光场在水湍流中传输时具有更高的能量集中度和稳定的光场结构分布。 3、基于横向波矢的消除机理利用圆环光束阵列构建了新型光场，使光束通过设计的调制器后，能够产生出新型光场，这种光场在传输过程中具有稳定的波前，从而提升激光在通信、传感、探测等系统中的应用效能。通过使用加工好的调制元件进行实验验证，分析新的光场的传输状态和光斑强度变化。研究了调制出的新的光场在水湍流环境下的传输特性，采集了20s内300张光斑图，分析了其平均光强和瞬时光强，结果表明该光场相比高斯光束具有更稳定的光场结构分布，在水湍流下具有更好的传输稳定性和抗湍流性能。 以上三部分的研究表明，利用消除横向波矢的方法构建的新型光场具有稳定的传输状态和光场结构，在湍流环境中传输时能量集中度高，光场结构分布稳定，受湍流影响小。该方法有望大幅降低无序介质中光场稳定传输的难度和成本，从而推动光场稳定传输方法真正走向产业化，提升激光通信、激光探测等应用系统的工作性能。
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