通过波动光学模拟揭示湍流

科学家们探索了各种湍流和模拟参数对传播光束中产生的失真的影响

不同内部湍流尺度的分支点密度 (DBP) 与网格分辨率 (N)。与预期相反，如果考虑非零内部尺度的影响，分支点密度不会无限增长，而是随着网格分辨率的增加逐渐减小。信用：贝克等人，doi 10.1117/1.OE.61.4.044104

你有没有想过为什么星星会在夜空中“闪烁”？恒星颜色和亮度的这些快速且看似随机的变化源于光与地球大气层不同层的相互作用。在湍流期间，不同体积的空气可以相对于彼此非常不同地移动。结果，一对通过湍流沿甚至稍微不同的路径传播的光束受到的影响也大不相同。

由于它在许多与光学相关的领域（例如天文学和基于激光的通信）的相关性，闪烁或“闪烁”现象不容忽视。特别是，当光束通过深度湍流介质传播时，强烈的闪烁效应会导致它们在接收器光瞳中的某些点处相互产生建设性和破坏性干扰。这些所谓的“分支点”，即接收光的测量相位中的显着失真，被认为是自适应光学 (AO) 系统的致命弱点。在 AO 中，精心设计的可变形反射镜用于抢先消除入射光的预期失真。不幸的是，实际的反射镜不能正确补偿发生在分支点及其附近的相位突变。

克服分支点引起的问题的一种方法是通过波动光学模拟详细研究它们的影响。然而，分支点问题本质上是多方面的，需要同时考虑许多参数才能产生可靠和现实的结果。这是最近发表在《光学工程》上的一项研究的主要目标之一。该研究由美国密歇根理工大学 Jeffrey R. Beck 博士领导的一组科学家进行。

具体来说，该团队研究了波动光学模拟中可观察到的分支点的数量如何随网格采样（即模拟的分辨率）而变化。此外，他们试图阐明非零内部湍流尺度对模拟结果的影响。简而言之，“内尺度”是指湍流介质中的涡流（涡旋流体和湍流中产生的反向电流）从流体分子之间的碰撞引起的摩擦开始消散的最小尺寸。

Kolmogorov 湍流的单一实现，其中 RPW=1.0。星号表示正分支点的位置，圆圈表示负分支点的位置。信用：贝克等人，doi 10.1117/1.OE.61.4.044104

该团队在各种湍流条件下进行了数百次波传播模拟，并观察了分支点的数量和分布如何随每个参数而变化。与预期相反，他们发现分支点的密度不会随着网格分辨率的增加而无限增长。虽然以前认为分支点密度随着分辨率的增加而不受限制地增长，但根据本研究，情况似乎并非如此。

“我们的结果表明，在不考虑非零内部尺度的影响的情况下，分支点密度确实会无限增长。然而，随着内部尺度尺寸的增加，这种无限制的增长在更强的湍流条件下会减少，并最终会逐渐减少或“饱和”，以获得足够高的网格分辨率，”贝克说。这一非凡的发现可以为通过波动光学模拟更准确地模拟湍流体积中的能量分布铺平道路。

总体而言，这项研究为 AO 系统中复杂的分支点问题提供了重要的见解，并可以帮助研究人员改进他们的波动光学模拟和模型。“我们论文中显示的结果令人鼓舞，因为它们可以轻松提高 AO 中使用的现有分支点容错相位重建算法的性能，并为未来的发展铺平道路，”贝克说。

找到驯服分支点的有效方法将减轻湍流对天文学和基于激光的通信的影响。反过来，这可以让科学家更好地执行和解释实验结果，而不会出现讨厌的闪烁伪影。

原文链接：https://www.spie.org/news/shedding-light-on-turbulence-with-wave-optics-simulations