湍流大气中低阶拉盖尔-高斯光束束宽特性分析

"拉盖尔-高斯光束在湍流大气中传输时的二阶矩束宽特性，葛筱璐，王本义，涡旋光束在湍流大气中传输时，其振幅和相位会发生随机起伏，导致在接收平面处的光强起伏及光束扩展等。以低阶拉盖尔-高斯(LG)光束为例，利用激光大气传输4维程序数..." 拉盖尔-高斯光束（Laguerre-Gaussian Beam, LG光束）是一种具有螺旋相位结构的特殊光束，常在光学领域用于实现轨道角动量传输。在本文中，葛筱璐和王本义等人探讨了这种光束在湍流大气环境中的传播特性，特别是关注了二阶矩束宽这一重要参数。 二阶矩束宽是衡量光束扩散程度的一个关键指标，它描述了光束在空间分布上的宽度。当LG光束穿越湍流大气时，由于大气的不均匀性（即湍流）会导致光束的振幅和相位发生随机变化，进而引起光强波动和光束扩展。湍流的强度和传输距离对这种影响有着显著作用：传输距离越远或湍流越强烈，光束的扩散效应就越明显。 研究者选择低阶LG光束作为研究对象，通过激光大气传输的4维数值模拟程序来分析光束在不同条件下的传输行为。他们发现，LG光束的拓扑荷数（决定了光束的轨道角动量）越高，束腰（光束最窄的部分）越小，或者光波的波长越长，光束在大气湍流中的扩展程度会相对减小。这表明这些因素有助于光束抵抗大气湍流的破坏性影响。 此外，论文还涉及了湍流的内尺度和外尺度对光束扩展的影响，尽管它们的影响程度相对较小，但仍然不容忽视。内尺度反映了湍流的最小特征长度，而外尺度则定义了湍流的总体范围。这两个参数的变化将间接影响光束传播的稳定性。 对比涡旋光束和普通高斯光束在相同条件下的传输表现，结果显示涡旋光束在湍流中的扩展特性有其独特性，这为理解和优化大气中的光束传输提供了理论依据。这一研究对于激光通信、自由空间光学以及远程探测等应用具有重要的理论指导价值，特别是对于需要在复杂大气环境中保持光束质量的系统设计，提供了宝贵的参考。 关键词：大气光学；涡旋光束；大气湍流；二阶矩束宽 中图分类号：O438（物理学）；TN929.12（无线电电子学、电信技术） 文章通过详尽的数值模拟和分析，深入研究了LG光束在湍流大气中的传输特性，揭示了湍流、传输距离、光束参数以及湍流尺度等因素对光束束宽的影响，为实际应用中的光束优化和稳定性提升提供了理论支持。