大气湍流信道中聚焦涡旋光束轨道角动量串扰特性

携带轨道角动量的涡旋光束作为传输信息的载体能有效提高信息传输效率,然而在传输过程中受大气湍流影响轨道角动量会发生串扰.基于螺旋谱分析理论,推导得到了聚焦拉盖尔高斯光束在各向异性大气湍流中传输时的螺旋谱解析表达式,并对比分析不同湍流和光束参数对聚焦与非聚焦拉盖尔高斯光束接收功率的影响,最后利用多相位屏法进行模拟验证.结果表明:随着传输距离、湍流强度、拓扑荷数的增大以及湍流内尺度、光束波长的减小,接收功率减小,轨道角动量串扰增大;接收孔径到达一定值时对轨道角动量串扰的影响非常小;聚焦光束比非聚焦光束的轨道角动量串扰要小.这些结果将对提高自由空间光通信的质量有一定意义.     

水下拉盖尔-高斯涡旋光束及其叠加态传输特性

通过实验研究了拉盖尔-高斯涡旋光束及其叠加态在水下湍流中的传输特性,充分考虑了不同温度差和盐度差的水流扩散产生的湍流对4种光束（高斯光束,阶数为0、拓扑荷数为6的拉盖尔-高斯涡旋光束,阶数为1、拓扑荷数为2与阶数为0、拓扑荷数为6的拉盖尔-高斯涡旋光叠加,阶数为1、拓扑荷数为2与阶数为0、拓扑荷数为10的拉盖尔-高斯涡旋光叠加）传输的影响,并对4种光束的漂移方差和闪烁指数进行深入讨论与分析。实验结果表明：随着湍流强度的增大,4种光束的漂移方差和闪烁指数都增大,相比其他3种光束,拉盖尔-高斯涡旋光束的漂移方差和闪烁指数较小;在较弱的湍流强度下,两种涡旋光叠加态的漂移方差和闪烁指数与拉盖尔-高斯涡旋光束相近。     

湍流大气传输高斯谢尔光束的到达角起伏

研究了在弱大气湍流起伏环境下以窄带宽高斯谢尔光束为激光光源的大气通信问题,分析了大气湍流强度和光源空间相干度对通信光束到达角起伏的影响.采用窄带宽光场的交叉谱密度函数代替光场互相干函数的近似方法和采用包含大气湍流内外尺度的简化折射率谱密度函数,得出了湍流大气中传输高斯谢尔光束的波结构函数(WSF) 和到达角起伏方差解析近似关系.分析表明,光源的空间相干度和传输光束的湍流扩展是影响高斯谢尔光束的相位起伏结构函数和传输光束到达角起伏的重要因素.     

球形粒子在聚焦拉盖尔-高斯光束中的散射特性研究

研究了球形粒子在聚焦拉盖尔-高斯光束中的散射特性. 根据广义Mie理论, 推导出球形粒子在聚焦拉盖尔-高斯光束中散射系数的解析公式. 针对光束的电场分布及粒子散射强度进行了数值仿真, 讨论了散射强度随散射角、散射球粒子半径和拓扑荷的变化特性, 并通过散射系数解释了散射强度分布的振荡现象. 结果表明, 在聚焦拉盖尔-高斯光束照射下, 球形粒子的后向散射强度随着粒子半径的增大而逐渐增大; 后向散射强度开始增大时对应的粒子半径与拓扑荷有关. 通过与高斯光束的对比, 可以看出球形粒子在聚焦拉盖尔-高斯光束中散射特性的差异, 使其在粒径测量、光通信和大气后向散射探测等方面具有潜在应用价值.     

光束偏移对轨道角动量信息传输系统的影响

研究了拉盖尔-高斯光束轨道角动量信息传输系统在未对准时轨道角动量谱的变化.采用数学推导和数值仿真的方法,得到在任意传播距离处,接收系统轴与光轴分别出现横向偏移、角向倾斜,以及两者同时存在时光束的表达式,并分析和比较了几种情况下螺旋谱的变化特征.研究表明,两种偏移量的增加会增加螺旋谱的弥散,而弥散现象与两者偏移方向无关.在传输起点,横向偏移和角向倾斜均会引起螺旋谱的对称弥散.然而,随着传输距离的增加,横向偏移时螺旋谱的弥散程度逐渐减小,而角向倾斜时螺旋谱弥散程度逐渐增加.角向倾斜时螺旋谱始终保持对称分布,而横向偏移引起的弥散螺旋谱呈非对称分布,且经过一定距离后得到稳定的螺旋谱分布.当两者同时存在时,光束螺旋谱的弥散程度随着距离的增加逐渐增加到一个最大值,之后平缓地下降.并进一步得出了横向偏移与角向倾斜对弥散度的影响是不独立的. 关键词： 拉盖尔-高斯光束 螺旋谱 横向偏移 角向倾斜     

螺旋轴棱锥的光束传输特性

 分析了螺旋轴棱锥的结构和光传输特性,基于衍射积分理论研究了发散球面波和拉盖尔-高斯光束经螺旋轴棱锥后的传输过程。研究表明,发散球面波经过螺旋轴棱锥后产生贝塞尔光束,其阶数与拓扑电荷数相同,但中心光斑（空心光斑）半径随传输距离的增加而变大;拉盖尔-高斯光束入射后同样产生贝塞尔光束,但其阶数变为拉盖尔-高斯光束和螺旋轴棱锥的拓扑电荷数之和,出射光束的拓扑电荷数与阶数相等。     

贝塞尔高斯光束在各向异性湍流中的传输特性

采用随机相位屏仿真方法模拟了各向异性大气湍流及贝塞尔高斯涡旋光束在其中的强度分布、在轴闪烁指数和抖动效应,分析了各向异性湍流参数和波源参数对涡旋光束传输质量的影响.结果表明,在各向异性大气湍流中,贝塞尔高斯涡旋光束的强度分布随传输距离的变化情况与离轴距离有关,仅一级圆环处强度值单调递减,其余次级圆环处强度值均呈现先增后降的趋势.在近距离处,贝塞尔高斯涡旋光束的在轴闪烁指数随波形参数的增大而减小,随光束宽度的增大呈现先上升后下降再上升的趋势,该现象与贝塞尔高斯光束的光斑尺寸大小相关;其抖动效应随波形参数、拓扑荷数量、波长和束腰半径的增大而减弱.但在远距离处贝塞尔高斯涡旋光束的闪烁效应和抖动效应随波形参数的影响与近距离处相反,这与贝塞尔高斯光束的展宽突然增大的现象一致.贝塞尔高斯涡旋光束在各向异性湍流大气中的抖动效应小于在各向同性湍流大气中的情况,并且在远距离处大于拉盖尔高斯涡旋光束的抖动效应.     

大气湍流中高斯空心涡旋光束的焦面光强分布

运用广义惠更斯-菲涅耳原理和相位结构函数的平方近似,研究了聚焦高斯空心涡旋光束通过湍流大气传输后在焦平面内的光强分布的理论模型,同时分析了不同大气折射率结构常数C2n、聚焦距离、光束拓扑荷和湍流外尺度对焦面光强分布特性的影响.结果表明:随着聚焦距离的增加,焦面光强分布由中央凹陷状向高斯分布转变.弱湍流对焦面光强分布的影响可以忽略;高拓扑荷光束在湍流大气中传输时光波奇异性的保持较低拓扑荷奇异光束要强;随着湍流外尺度增加,焦面光强分布的中央凹陷状变浅,光强分布变平滑.     

在大气湍流斜程传输中拉盖高斯光束的轨道角动量的研究

大气湍流引起大气折射率随机变化,导致空间不均匀性.拉盖高斯光束在大气湍流中传输时,空间不均匀性会使光子波函数改变,引起轨道角动量的变化.本文讨论了拉盖尔高斯光束在大气斜程传输时,湍流介质改变光子轨道角动量而形成不同的光子态.计算了螺旋谐波各分量所占光束总能量的权重,分析了拉盖高斯光束的轨道角动量的变化规律.     

非均匀拉盖尔-高斯关联光束及其传输特性

提出了一种新型特殊关联部分相干光束即非均匀拉盖尔-高斯关联光束,其在x和y方向上的关联结构函数分别为非均匀关联和拉盖尔-高斯关联函数.基于广义惠更斯-菲涅耳衍射积分公式,推导了这种光束交叉谱密度函数在自由空间以及大气湍流中的传输式,并计算了该光束经过自由空间和湍流大气传输的光强分布和关联结构函数分布演化特性.研究发现,该光束光强分布在传输过程中展现出自聚焦、自偏移和自分裂等奇异特性,同时发现控制关联结构函数参数可以有效地降低湍流大气的影响.关联结构调控为操控光束传输行为提供了一种新颖而有效的手段,在大气激光通信、微粒操控等领域具有重要的应用前景.     

经光阑衍射的高阶贝塞耳光束位相奇点演化特性

推导出了高阶贝塞耳光束通过有光阑近轴ABCD光学系统传输的解析公式,用以研究了高阶贝塞耳光束被光阑衍射位相奇点的演化特性.结果表明:高阶贝塞耳光束经光阑系统衍射后,中心光涡旋始终存在,拓扑电荷守恒,但涡旋核大小会随光阑半径、传输距离和光束阶数而变化;随光阑半径和传输距离变化,圆刃型位错会消失或产生.     

Generalization and propagation of spiraling Bessel beams with a helical axicon

A generalized type of spiral Bessel beam has been demonstrated by using a spatially displaced helical axicon (HA). The topological charge of the spiraling Bessel beams is determined by the order of the input Laguerre-Gaussian (LG) beam and the topological charge of the HA. The obtained spiraling Bessel beams have an LG type of modulation along their propagation direction and exhibit annihilation-reconstruction properties. Theoretical analysis is presented, including that of the stability, propagation distance, topological charge, and spiraling dynamic characteristics. The mathematical and numerical results show that the propagation distance and helical revolution of the spiraling Bessel beams can be controlled through choosing appropriate radius of the HA.     

椭圆涡旋光束在海洋湍流中的传输特性

本文采用分步相位屏方法来仿真椭圆涡旋光束在海洋中的实际传输情况,并对椭圆涡旋光束在海洋湍流中的传输光强和闪烁因子进行了仿真。研究发现,椭圆涡旋光束在海洋传输过程中,光斑会发生明显的旋转,同时光斑会产生暗核且暗核个数与光束的拓扑荷数相等。一个拓扑荷数为m的相位奇点会分裂成m个拓扑荷数为1的相位奇点,并且海洋湍流越强,光斑受到的干扰越严重。研究还发现,在较弱的海洋湍流中,随着传输距离的增加,椭圆涡旋光束的闪烁因子会低于高斯光束和涡旋光束的闪烁因子,而且在远距离处拓扑荷数越大闪烁因子降低越明显,同时也发现,传播一段距离后涡旋光束的闪烁因子会低于高斯光束的闪烁因子。在较强湍流中,椭圆涡旋光束的闪烁因子会交叠在一起。对于不同强度的海洋湍流,随着均方温度耗散率的增大,椭圆涡旋光束的轴上点闪烁因子也增大。在同一传输距离处,束腰宽度越小的椭圆涡旋光束闪烁因子越小。     

超高斯涡旋光束在空间中的传输特性

研究了超高斯涡旋光束光强最大值、光斑半径以及环围能量半径等参数随传输距离和拓扑荷数的变化规律,并与高斯涡旋光束做了比较,结果表明:超高斯涡旋光束的光斑半径和环围能量半径随拓扑荷数及传输距离呈近似线性关系;对同一拓扑荷数和传输距离,高斯涡旋光束的能量较超高斯涡旋光束要发散;当拓扑荷数较大时,超高斯涡旋光束的光斑半径比高斯涡旋光束更大。针对光束质量研究了广义光束质量因子随传输距离和拓扑荷数的变化,结果表明传输距离足够远时,拓扑荷数较小的超高斯涡旋光束具有更好的光束质量。     

湍流大气中斜程传输部分相干光的光束扩展

运用维格纳分布函数与广义惠更斯菲涅耳原理,推导出部分相干光束在任意折射率起伏功率谱模型的大气湍流中斜程传输时,其束宽传输的一般解析表达式。在此基础上,以部分相干平顶(PCFT)光束为例,给出了PCFT光束在大气湍流中斜程传输的束宽扩展解析表达式。在合肥地区大气折射率结构常数高度分布模式下开展了数值计算和分析,并与水平传输时的结果进行了比较。研究结果表明,光束在斜程传输时的束宽不仅与光束阶数、空间相干度、束腰半径、湍流的强弱和传输距离有关,还与天顶角密切相关。光束的阶数越高,空间相干性越差,天顶角越小,则其束宽扩展受湍流的影响就越小。当天顶角小于60°时,大气湍流对斜程传输光束束宽的影响明显小于水平传输的情况。     

Slant path average intensity of finite optical beam propagating in turbulent atmosphere

The average intensity of finite laser beam propagating through turbulent atmosphere is calculated from the extended Huygens Fresnel principle. Formulas are presented for the slant path average intensity from an arbitrarily truncated Gaussian beam. The new expressions are derived from the modified von Karman spectrum for refractive-index fluctuations, quadratic approximation of the structure function,and Gaussian approximation for the product of Gaussian function and Bessel function. It is shown that the form of average intensity is not a Gaussian function but a polynomial of the power of the binomial function, Gaussian function, and the incomplete gamma function. The results also show that the mean irradiance of a finite optical beam propagating in slant path turbulent atmosphere not only depends on the effective beam radius at the transmitting aperture plane, propagation distance, and long-term lateral coherence length of spherical wave, but also on the radius of emit aperture.     

Propagation of an Airy vortex beam in uniaxial crystals

The propagation dynamics of an Airy beam superimposed with a unit topological charge optical vortex is investigated analytically and numerically in uniaxial crystals orthogonal to the optical axis. Upon propagation, the Airy vortex beam is mainly dependent on the ratio of the extraordinary refractive index to the ordinary refractive index. Due to the anisotropic effect of the crystals, the acceleration of an Airy vortex beam in the transversal direction along the optical axis is more rapidly than that in the other transversal direction, which is alike to a conventional Airy beam but with twice the vortex acceleration velocity.     

大气湍流中部分相干聚焦涡旋光束的传输特性

基于广义惠更斯-菲涅耳原理和相位结构函数的平方近似,研究了部分相干高斯-谢尔模型涡旋光束被聚焦后在大气湍流中的传输特性,得到了焦平面上光强解析表达式.利用该表达式,详细研究了该类光束在大气湍流中传输焦平面上的光强分布特性.结果表明：在大气湍流中,随着传输距离的增加,涡旋光束的奇异性逐渐降低.对于拓扑荷大的以及空间相干长度较长的涡旋光束,光束奇异性的保持相对要好.在一定的焦距长度和湍流大气条件下,我们可以通过调整光源的拓扑荷和相干长度控制焦面光强分布和焦斑大小.另外,有一定拓扑荷的涡旋光束可以在一定程度上降低大气湍流对传输光束焦面光强分布的影响.