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南开大学的皆鹏飞、刘伟伟课题组与长春理工大学刘显贵课题组相助，在姜会林院士率领下，通过设立光丝开辟液滴温和体分子的多圭臬多相扩散模子，潜入探究了飞秒激光成丝在潸潸环境中开辟解放空间光通讯信谈的能源学历程，揭示气体分子温和溶胶液滴在光丝开辟信谈中的散焦和率领效应的竞争孝顺，为优化解放空间光通讯系统在恶劣天气条款下的性能提供了贵重的表面和推行依据。
筹商服从以”Gas and droplet dynamics for filament-assisted free-space optical communication through clouds”为题，近期发表在Science子刊Ultrafast Science上。
援用方法:Haiyi Liu, Jiawei Zheng, Huanyu Li, Jiayun Xue, Pengfei Qi, Xianzhu Liu, Lie Lin, Weiwei Liu, Huilin Jiang. Gas and Droplet Dynamics for Filament-Assisted Free-Space Optical Communication through Clouds[J]. Ultrafast Science, 2024, 4(1): 0075.
斟酌布景
解放空间光通讯(Free-Space Optical Communication, FSOC)是无线通讯鸿沟中一种贵重的通讯技艺，兼具光纤通讯与微波通讯的上风，具有传输速度高、频谱资源丰富、抗搅扰能力强等优点，泛泛应用于星地激光通讯、救急守秘通讯、5G回程无线蚁集等鸿沟，已成为处理微波通讯瓶颈、构建天基宽带网、达成高分辨率对地不雅测及海量数据及时传输的灵验技能。然则，大气中解放空间信谈受环境要素影响巨大，复杂大气条款下雾滴、水点等悬浮颗粒物都会导致大气衰减，从而导致解放空间光通讯系统误码率加多、信谈容量减小、致使通讯中断，严重影响通讯链路的沉静性和可靠性。因此，复杂大气条款对通讯激光定向传输的严重影响是FSOC技艺亟需处理的关键问题。
跟着高功率脉冲激光技艺连接发展，GW~TW级飞秒激光器商用化，激光强度足以电离空气产生复杂非线性光学效应，一种“穿云透雾”技艺——飞秒激光成丝风光为处理上述问题提供了新念念路，有望在复杂大气条款下达成信谈废弃，助力通讯激光沉静传输。具体来说，由于克尔自聚焦效应，岑岭值功率的飞秒激光脉冲在大气传输历程中会克服当然衍射，而况在聚焦和散焦达到动态均衡时，变成一个高强度的等离子体通谈，即“光丝”。光丝里面高温高压等离子体弛豫所诱发的超声波，可将空气中的液滴、灰尘等排空，为大气潸潸环境下主动开辟一条长程沉静传输信谈提供了技艺基础。然则，光丝等离子体开辟空气波导效应波及不同气体分子、不同圭臬液滴等复杂多相多圭臬能源学历程，复杂大气条款下光丝开辟空气波导效应的物理机制有待披露。
针对上述难题与挑战，南开大学和长春理工大学的斟酌团队斟酌了在不同激光能量和访佛频率下潸潸（气溶胶）中光丝开辟信谈的时候演化，并设立光丝开辟液滴温和体分子的多圭臬多相扩散模子来诠释推行纵容。探伤光束的诱掖或散焦取决于气体分子和液滴扩散能源学历程的竞争：在无气溶胶的大气中，激光沿光丝旅途加热空气激勉热透镜效应，会导致光丝开辟信谈中的后续探伤光束散焦；在有气溶胶存在的情况下，光丝开辟信谈不错显贵减少由Mie散射引起的光衰减并率领探伤光束传输。上述发现不错加深咱们对由光丝开辟空气信谈背后物理机制的集结，并为优化探伤光束传输的时候窗口和服从提供率领，将有助于援救光丝辅助FSOC系统性能。
亮点革命
团队采选商用飞秒激光器（脉冲宽度50 fs，中心波长800 nm），可通过半波片和偏振分束镜组合调节单脉冲能量，图1为推行有操办默示图。脉冲通过一套包括凹透镜、凸透镜和反射镜的千里镜系统，蜕变透镜间距离来精确调节焦点位置，确保飞秒脉冲在云室中心成丝。通讯/探伤光采选特定波长一语气激光，通过险阻透镜组合的扩束系统调治光束数值孔径，并愚弄二向色镜使其与飞秒脉冲精确合束，保证通讯/探伤光在光丝构建的大气信谈内传输。云室后方放手800 nm滤波片滤除用于成丝的飞秒激光，采选宽带高速响应的光电二极管和示波器监测通讯激光信号，记载光丝开辟大气信谈对通讯/探伤光的调制幅度随时候变化。此外，AG百家乐有规律吗采选CCD相机记载通讯/探伤光空间散播格局，反应光丝开辟大气信谈时空演化信息，披露其中复杂效应。
图1 飞秒激光成丝辅助解放空间光通讯的推行装配。插图：光丝的像片（左）和通讯光束的时候演化（右）
无气溶胶条款下光丝开辟大气信谈的能源学历程如图2所示。在莫得气溶胶的情况下，光丝开辟的大气信谈对探伤光束的影响进展为μs量级速即衰减和随后ms量级冉冉还原。上述衰减效应不错归因于飞秒激光成丝历程中空气瞬态加热产生的热散焦效应。斟酌东谈主员基于热扩散方程设立光丝的热散焦效应模子，不错定量地诠释光丝开辟信谈的瞬态时空演化，如图2C, D, E所示。
图2 无气溶胶条款下光丝开辟大气信谈能源学。(A) 通讯/探伤光随时候变化的调制情况。(B) 单脉冲光丝开辟大气信谈能源学。插图：有（右）/无（左）光丝条款下通讯/探伤光空间散播格局。(C) 单脉冲光丝开辟大气信谈对通讯/探伤光信号调制完全值。(D) 不同期刻空气分子数密度演变表面模拟纵容。(E) 空气分子数密度相对各异随时候变化表面模拟纵容
有气溶胶条款下光丝开辟大气信谈的能源学历程如图3所示。在有气溶胶的条款下，光丝对通讯/探伤光影响率先还是进展为μs量级速即衰减，但随后由于光丝对气溶胶液滴的废弃作用，通讯/探伤光信号率先进展为ms量级增强，随后由于排开的气溶胶会从头扩散会大气信谈，导致增强幅度随时候冉冉指数下落。斟酌东谈主员基于液滴密度扩散方程设立气溶胶扩散弛豫的时候演化模子，并将其与上述热散焦效应模子相联接，定量诠释了气溶胶环境下光丝开辟信谈中通讯/探伤光的时候演化，如图3D所示。
图3 气溶胶条款下光丝开辟大气信谈能源学。(A) 通讯/探伤光随时候变化的调制情况。(B) 单脉冲光丝开辟大气信谈能源学。插图：有（右）/无（左）光丝条款下通讯/探伤光空间散播格局。(C) 气溶胶液滴数密度随时候变化表面模拟纵容。(D)气溶胶条款下光丝开辟信谈能源学推行（点）与模拟（实线）纵容相比
终末，斟酌东谈主员探讨了单脉冲能量和访佛频率对光丝开辟信谈能源学影响。单脉冲能量增大不错显贵增强热散焦效应，从而使探伤激光透过率衰减下落幅度变大；由于气溶胶扩散回激光传输信谈的时候圭臬（ms量级）渊博于空气分子（μs量级），全体进展为光丝摒除气溶胶所导致的探伤激光透过率加多，跟着脉冲能量的援救，该效果愈益显贵。此外，在固定脉冲能量条款下，高访佛频率对应较低的飞秒脉冲时候鉴别，飞秒脉冲时候鉴别若是远小于气溶胶扩散回激光传输信谈的时候圭臬（ms量级），光丝捏续废弃传输信谈中的液滴，不错达成准稳态大气信谈，助力通讯激光高效传输。以上发现均与模子预测一致。
图4 不同脉冲能量和访佛频率下由光丝开辟大气信谈能源学。(A)-(B) 分袂为在500 Hz和900 Hz访佛频率下，气溶胶条款下光丝开辟大气信谈能源学纵容。(C)调制幅度与脉冲能量干系：500 Hz（红色）和900 Hz（蓝色）。(D)-(E) 脉冲能量2.5 mJ时，有(E)/无(D)气溶胶条款下访佛频率对光丝开辟信谈能源学影响纵容。(F) 有/无气溶胶条款下光丝开辟大气信谈的调制幅度与访佛频率干系
回首瞻望
本文探究了不同激光能量和访佛频率下，潸潸中光丝开辟大气信谈随时候演化纵容，并构建了光丝开辟液滴温和体分子的多圭臬多相扩散模子，描述光丝开辟信谈能源学。由于热散焦效应开端会导致通讯/探伤光衰减，随后由于光丝开辟大气信谈内冲击波摒除液滴而导致信号增强，联接气体分子温和溶胶密度扩散方程不错定量诠释推行纵容。蜕变访佛频率、单脉冲能量等推行参数，进一步揭示了热散焦效应温和溶胶废弃效应之间的竞争干系。上述发现为集结潸潸环境下光丝开辟信谈的时候圭臬和机制提供了表面诠释，对光丝辅助解放空间光通讯优化具有率领意旨。
通讯作家简介
皆鹏飞，副斟酌员，博士生导师，入选南开大学百名后生学科带头东谈主培养策动。斟酌地点为超快激光与物资互相作用、二维激子能源学调控。主捏国度重心研发策动后生科学家名堂、国度当然科学基金、中国博士后科学基金、天津市科技革命东谈主才培养专项等名堂。以第一/通讯作家在Light、eLight、ACS Nano、Ultrafast Science等期刊发表论文30余篇，屡次被eLight、Small、Nanoscale等选为封面文章，受到Light专文亮点报谈。曾获天津市科技跨越一等奖、中国仪器仪容学会金国藩后生学子奖等荣誉。
刘显贵，副斟酌员，硕士生导师百家乐ag真人曝光，入选吉林省高端倪D类东谈主才。斟酌地点为高速空间光通讯技艺。近五年累计主捏国度当然科学基金委、国防173策动、科技部重心研发策动等国度级科研名堂/课题11项，获吉林省科技跨越二等奖1项，以第一作家身份发表论文8篇，授权国度发明专利11项，撰写国防科技出书社著述1部。