经圆孔衍射的轴对称偏振光束在湍流大气中的平均光强分布和偏振特性

摘要：本文对经圆孔衍射的轴对称偏振光束在湍流大气中偏振特性进行了研究。分析表明，平均光强和偏振度与轴对称偏振光束的偏振方向无关，而与湍流大气折射率结构常数和截断参数密切相关。

关键词：轴对称偏振光束 湍流大气 平均光强 偏振特性

中图分类号：TN249 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）03-0103-02

1 引言

作为一种非均匀偏振光束，轴对称偏振光束具有轴对称的偏振分布，径向偏振和角向偏振是轴对称偏振的两个特殊偏振态。基于空间的轴对称偏振分布以及高数值孔径聚焦特性，轴对称偏振光束在电子加速、粒子捕获、光学存储和激光加工等方面均展现出独特的优势。随着激光在激光雷达、遥感和光通信等领域的应用和发展，人们开始深入地研究激光在湍流大气中的传输变换和空间相干性[1-5]。在实际光学系统中，通常需要考虑光阑的存在对激光传输的影响。本文将深入地研究经圆孔衍射的轴对称偏振光束在湍流大气中的平均光强分布和偏振特性。

2 经圆孔衍射的轴对称偏振光束在湍流大气中的传输特性

根据广义惠更斯-菲涅耳原理和光束的相干-偏振矩阵，可推导出湍流大气中的轴对称偏振光束经圆孔衍射的平均光强和偏振度的表达式：

（1）

（2）

其中，Det和Tr分别表示了光束的相干-偏振矩阵的行列式值和迹。（1）和（2）式可用于描述经圆孔衍射的轴对称偏振光束在湍流大气中的平均光强分布和偏振特性。

3 数值计算和分析

图1和图2显示了经圆孔衍射的轴对称偏振光束在湍流大气中对于不同的结构常数和截断参数的平均光强分布。由图1可知，经圆孔衍射的轴对称偏振光束受到了大气湍流的影响，随着结构常数的增大，平均光强的峰值会减弱。同时，光强分布会由中空环状分布转变为高斯分布，这与在自由空间里的情况是不同的。同时，在此转变的过程中光束会变成平顶光束，如图2（b）所示。图2描绘了截断参数对经圆孔衍射的轴对称偏振光束在湍流大气中传输的影响，无孔情况下（）的平均光强分布如图2（c）所示。由图2可以发现，圆孔光阑的存在加强了轴对称偏振光束的相干性同时也减弱了湍流大气对其的影响。由于圆孔光阑的限制，轴对称偏振光束的部分能量被阻止。因此，随着截断参数的减小，经圆孔衍射的轴对称偏振光束的平均光强峰值进一步降低。

图3显示了经圆孔衍射的轴对称偏振光束在湍流大气中的偏振度分布。为了深入地衡量大气湍流和圆孔光阑对轴对称偏振光束偏振特性的影响，图3给出了几种不同结构常数和截断参数的偏振度分布。由图3可知，轴对称偏振光束的偏振度在光轴上为零，随着离轴位置的扩展，偏振度逐渐增大。结构常数和截断参数的变大致使了偏振度的降低。与受圆孔光阑限制的轴对称偏振光束的偏振度相比，无孔情况下的偏振度衰减地更快。

4 结语

综上所述，本文分析了经圆孔衍射的轴对称偏振光束在湍流大气中的平均光强分布和偏振特性。根据广义惠更斯-菲涅耳原理和光束的相干-偏振矩阵，可推导出其平均光强和偏振度的表达式。本文所得的结果可适用于径向偏振、角向偏振、无孔、和自由空间这四种特殊情况的传输特性研究。

参考文献

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[5]H. Wang， D. Liu， and Z. Zhou， “The propagation of radially polarized partially coherent beam through an optical system in turbulent atmosphere，” Appl. Phys. B 101， 361-369 （2010）.

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