新型部分相干光束合成机理与方法及其抗大气湍流特性研究

This program aim at suppress the influnces of turbulent atmosphere such as the wavefront distorsion and signal scintillation on long distance and high speed free space optical(FSO)communication. From the coherence of light resource and the coherent scale of atmospheric turbulunce, we propose and study an innovative beam consists of Gaussion beams and Airy beams, investigate and open out the physical properties relative to weak diffraction, self-reseume function and the controllable coherence of the new beam, as well as the physical mechanism for its resisting atmospheric turbulence, establish an new theory model for the interaction between the multi-layer weak and strong Non-Kolmogrov turbulence and the patially Airy beam; study the principle and scheme for synthesizing the beam and the new technology using the beam as a carrier to reject turbulent interference, also, set up the corresponding platform for the theory and experiment. The new partially coherent beam could enhance the ability of antagonisim interference of turbulent atmosphere and improve on acquisition, tracing and pointing(ATP) for FSO system because of its small divergence angle and its self resume function. It will be important to the scientific and pratical development for high speed and long disdance FSO.

本项目旨在研究解决远距离、高速空间光通信大气湍流引起的波前畸变、信号闪烁等一系列干扰问题.从光源的相干特性和大气湍流相干尺度出发，提出并研究由部分空间相干高斯谢尔光束和空间艾里光束合成产生一种新型光束的新方法，揭示该光束衍射性弱、自愈性强和相干性可控的物理属性及其抗湍流大气干扰的物理机理，建立非Kolmogrov弱-强多层湍流大气和部分相干艾里激光束相互作用的统计理论模型；揭示部分空间相干高斯谢尔光束和空间艾里激光束合成光束的湍流大气传输特性；研究利用合成光束实现数据传输并克服湍流大气影响的新技术，建立相应的理论研究与实验研究平台。本项目得到的合成部分相干光束，具有发散角小、自愈功能强的特点，不仅可以提高宽带空间光通信系统的抗湍流大气干扰能力，还具有稳定系统捕获、跟踪与瞄准的能力，对全方位提高远距离、高速空间光通信的质量具有非常重要的科学意义与实际意义。

远程自由空间光通信，尤其是星-地空间光通信，一直面临大气随机介质的光传输不稳定问题。星地光链路不可避免地穿过大气，而大气介质的某些物理参量随高度分布并不均匀，从而导致介质的诸如折射率等光学参量也随高度变化，导致湍流大气产生。大气介质除对传输光场具有衰减，还由于湍流大气的出现引起光束漂移、光束扩展、光强闪烁等一系列劣化光传输质量的现象，严重时导致无法实施数据的可靠传输。. 本项目针对星地光链路大气介质的随机光传输特性，研究解决远距离、高速空间光通信大气湍流引起的波前畸变、信号闪烁等一系列干扰问题。从光源的相干特性和大气湍流相干尺度出发，提出并研究了由部分空间相干高斯谢尔光束和空间艾里光束合成产生的一种新型光束的新方法，分析了该光束衍射性弱、自愈性强和相干性可控的物理属性及其抗湍流大气干扰的物理机理，在此基础上，建立了非 Kolmogrov 弱-强多层湍流大气和部分相干艾里激光束相互作用的统计理论模型；理论上揭示部分空间相干高斯谢尔光束和空间艾里激光束合成光束的湍流大气传输特性，进行了数值仿真研究，并从实验上研究了部分相干光束在不同湍流参数下的传输特性，得到了非常有意义的结果。本项目还研究了利用合成部分相干光束实现数据传输并克服湍流大气影响的新技术，搭建了相应的理论研究与实验研究平台。得到的合成部分相干光束，具有发散角小、自愈功能强的特点，不仅可以提高宽带空间光通信系统的抗湍流大气干扰能力，还具有稳定系统捕获、跟踪与瞄准的能力，对全方位提高远距离、高速空间光通信的质量具有非常重要的科学意义与实际意义。