単一静電乱流チャンネルにおける光ビームの強度統計に及ぼす光源の空間的パーシャルコヒーレンスの影響

Effects of source spatial partial coherence on intensity statistics of optical beams in mono-static turbulent channels.

• Tong Zhou
• Jiayi Yu
• Fei Wang
• Yangjian Cai
• Olga Korotkova

抄録

ガウスシェールモデル(GSM)ビームの平均強度,ビームワンダ,シンチレーションインデックスなどの変動強度の統計的特性を実験と波動光学計算機シミュレーションの両方を用いて調べた。実験結果から、GSMビームの空間コヒーレンスが低下すると、後方散乱が徐々に弱まり、十分に低い空間コヒーレンス状態では消滅することが明らかになった。また、RRの場合とFMの場合では、RRの方がはるかに小さくなったが、RRの場合はコヒーレンス幅が0.2から6.0mmの範囲では、ビームワンダは実質的に不変であることがわかった。また、RRの場合はFMの場合に比べて未追跡ビームの長期シンチレーション指数が小さく、追跡ビームの短期シンチレーション指数は逆であることがわかった。いずれの場合も、GSM音源の空間コヒーレンスが低下するとシンチレーション指数は減少する。得られた計算機シミュレーション結果は実験結果とよく一致した。さらに、ダブルパスの単静乱流を通過する1kmの伝搬距離に沿ったGSMビームの統計的特性に及ぼす空間コヒーレンスの影響についても、波動光学シミュレーションを用いて調べた。また、RRとFMの場合の強度確率密度関数の評価と比較、及びレトロリフレクション変調領域における自由空間光通信に最も重要なソースコヒーレンス状態の評価と比較を行った。さらに、本研究で得られた知見は、大気乱流下でのリモートセンシングや指向性エネルギーレーザーの応用開発に役立つものと考えられる。

We investigate, via both experimental measurements and wave-optics computer simulations, the statistical characteristics of the fluctuating intensity, such as the average intensity, the beam wander and the scintillation index, of the Gaussian Schell-model (GSM) beams on passing through double-pass, monostatic turbulence channels with either a retro-reflector (RR) or a flat mirror (FM). Our experimental results reveal that the enhanced backscatter (EBS) gradually weakens as the spatial coherence of the GSM source decreases, and eventually disappears for the sufficiently low source spatial coherence states. The r.m.s beam wander remains practically invariant with the variation of the source coherence width in the range from 0.2 to 6.0 mm both in the case of the RR and the FM, which formed the RR case being much smaller. In addition, it is found that the long-term scintillation index of the untracked beam with the RR is smaller than that with the FM, while the situation is reversed for the short-term scintillation index of the tracked beam. In both cases, the scintillation index decreases as the spatial coherence of the GSM source decreases. The obtained computer simulation results agree reasonably well with the experimental results. In addition, the effects of spatial coherence on statistical characteristics of the GSM beams along a 1 km propagation distance through the double-pass monostatic turbulence are also investigated using wave-optics simulation. We also carry out evaluation and comparison of the intensity probability density functions for the RR and FM cases and for various source coherence states that are of utmost importance for free-space optical communications in retro-reflection modulation regime. In addition, our findings will be beneficial for the development of remote sensing and directed energy laser applications in the presence of air turbulence.