Dilemsel ışık hüzmeleri ve atmosferdeki yayılım özellikleri
Arbitrary light beams and propagation characteristics in atmosphere
Yazar: ÇAĞLAR ARPALI
Danışman: YRD. DOÇ. DR. CEM NAKİBOĞLU
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2009
Konu: Bilim ve Teknoloji = Science and Technology ; Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Bu çalışmada, yatay optik linklerinde düz tepeli (DT), genel tip ve dilemsel kaynak ışık hüzmelerinde atmosferik türbülansın etkileri incelenmiştir. İlk olarak, türbülanslı atmosferde yayılan DT ışık hüzmesinin kaynak ve alıcı düzlemindeki özellikleri incelenmiştir. Bu amaçla, DT hüzmenin kaynak düzleminde kaynak boyutu, hüzme gücü ve M2 faktörü türetilmiştir. Türbülanslı bir yayılım ortamı için genişletilmiş Huygens Fresnel kırınım integraliyle alıcı düzlemindeki ışık şiddeti bulunmuştur. Alıcı düzlemi üzerinde belirli bir alan üzerine düşen güç hesaplanmıştır. Yayılım ekseni boyunca Kurtosis parametresi ve hüzme boyut değişimi formüle edilmiştir. Türbülans içinde yayılım esnasında DT hüzme ilk olarak merkezde dairesel halka şeklini almaktadır. Yayılım mesafesi arttıkça bu halkanın çevresi daralmakta, hüzmenin merkezinden oluşan aşağı yöndeki zirve yükselmekte, son olarak da ışık şiddeti değeri salt Gauss şekline dönüşmektedir. Daha sonra, MATLAB kodu kullanılarak genel tip hüzmenin türbülanslı atmosfer içinde yayılım özelliklerini veren bir simülatör geliştirilmiştir. Gereken kaynak ve yayılım parametreleri girildiği zaman, simülatör yayılım ekseni boyunca oluşan ortalama ışık şiddetini video formun da vermektedir. Simülatörün bazı örnek çıktıları gösterilmiştir. Son olarak dilemsel lazer hüzmelerinin hem boşlukta hem de türbülanslı atmosferde yayılımı incelenmiştir. Dilemsel kaynak alan profili, kaynağın piksellere ayrılmasıyla oluşturulur. Hem boşluk hem de türbülanslı atmosferde yayılım esnasında alıcıdaki alan, genişletilmiş Huygens Fresnel integrali yoluyla tüm kaynak piksellerinin katkısı eklenerek bulunur. Bu yöntem herhangi bir kaynak alanı için alıcıdaki ışık şiddetini elde etmemize imkan vermektedir. Dilemsel hüzme uyarılması kullanılarak cos-Gauss, yüksek dereceli halkasal ve genel tip gibi bir çok değişik lazer hüzmesinin ışık şiddetinin ve alıcının merkezinde sintilasyon indeksinin tutarlılığı literatürde var olan sonuçlarla kontrol edilmiş, ve bazı orijinal dilemsel hüzme alanları için alıcıdaki ışık şiddeti dağılımı ve şiddet sapmaları bulunmuştur. Sintilasyon indeks, zayıf atmosferik türbülans şartında Rytov çözüm yöntemi kullanılarak nümerik integrasyonla hesaplanmıştır. Seçilen kaynak ve yayılım parametreleri altında, tüm hüzme tipleri için yayılım mesafesi arttıkça sintilasyon indeks artmaktadır. Kesikli hüzmeler için Fresnel bölgesinde iniş çıkışlar yapan sintilasyon indeks, uzak alanda artmaktadır. Bu çalışmada gözlenen sonuçlar, atmosferik optik linkler için sintilasyon indeksi en aza indiren optimum hüzme profilinin bulunmasında faydalı olabilir.

Abstract:
In this study, the effects of atmospheric turbulence on flat topped(FT), general-type and arbitrary source beams in horizontal optical links are investigated. Primarily, the source and receiver plane characteristics of FT beam traveling in turbulent atmosphere are examined. To this end, source size, beam power and M2 factor of source plane FT beam are derived. For a turbulent propagation medium, via extended Huygens Fresnel diffraction integral, the receiver plane intensity is found. Power captured within an area on the receiver plane is calculated. Kurtosis parameter and beam size variation along the propagation axis are formulated. When propagating in turbulence, the FT beam first will form a circular ring in the center. As the propagation length increases, the circumference of this ring will become narrower, giving rise to a downward peak emerging from the center of the beam, eventually turning the intensity profile into a pure Gausssian shape. Subsequently, a simulator is designed in MATLAB code which gives the propagation characteristics of a general-type beam in turbulent atmosphere. When the required source and medium parameters are entered, the simulator yields the average intensity profile along the propagation axis in a video format. Some samples of the simulator output are presented. Eventually, The propagation of arbitrary laser beams in either free space or turbulent atmosphere is examined. Arbitrary source field profile is produced by decomposing the source into pixels. The received field through the propagation in either free space or turbulent atmosphere is found by superposing the contributions from all source pixels via extended Huygens Fresnel integral. This method enables us to evaluate the received intensity originating from any type of source field. Using the arbitrary beam excitation, intensity and on-axis scintillation index of various laser beams such as cos-Gausssian, higher order annular and general type beams are checked to be consistent with the already existing results in literature, and the received intensity distributions and irradiance fluctuations are obtained for some original arbitrary beam field profiles. In weak atmospheric turbulence condition by use of Rytov method solution, the scintillation index is calculated by using numerical integration. Under the chosen source and propagation parameters, it is found that for all beam types, as the propagation length increases the scintillation index increases. For discretionary beams, scintillation index fluctuating in Fresnel region, grow up in far field region. The results obtained in this work would be useful in atmospheric optical links to find out the optimum beam profile that will minimize the scintillation index.