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。     

部分相干涡旋光束叠加场中的合成相干涡旋及其动态传输

对由两束平行、离轴部分相干平顶涡旋光束叠加形成的合成相干涡旋做了详细研究.结果表明:合成相干涡旋的数目和位置与光束阶数、相对离轴距离、相干参数以及相对传输距离有关.在部分相干范畴内“隐藏”的合成相干涡旋对应于完全相干范畴中的合成光涡旋.并且证明在相干极限下合成相干涡旋就演化为合成光涡旋. 关键词： 相关奇点光学 合成相干涡旋 部分相干平顶光束 离轴合成     

部分相干双曲正弦-Gauss涡旋光束叠加形成的合成相干涡旋在非 Kolmogorov 大气湍流中的动态演化

一些实验表明, 实际大气会偏离理想Kolmogorov模型. 本文基于广义Huygens-Fresnel原理和Toselli等提出的非Kolmogorov湍流模型, 推导出部分相干双曲正弦-Gauss (HSG)涡旋光束通过非Kolmogorov大气湍流的解析传输公式, 并用以对两束部分相干HSG涡旋光束相干叠加和非相干叠加形成的合成相干涡旋在非Kolmogorov大气湍流中的动态演化进行了研究. 结果表明, 合成光束平均光强的演化过程与非Kolmogorov湍流的广义指数α, 源平面上叠加涡旋光束拓扑电荷的符号, 以及叠加方式有关. 合成相干涡旋在非Kolmogorov大气湍流中传输时会出现移动、产生和湮灭. 广义指数α, 拓扑电荷符号, 以及叠加方式都会影响其演化行为. 最后, 将本文所得结果与相关文献做了比较.     

从平面波的线性干涉到涡旋光的角向干涉

依托中学生“英才计划”课题，以光场调控技术为选题，开展了从平面波线性干涉到涡旋光角向干涉演化过程的实验教学.从理论上模拟了涡旋光束与平面波的相干叠加，通过数值分析确认了拓扑荷数与干涉条纹的关系.实验上利用螺旋相位板制备涡旋光束，并采用马赫-曾德尔干涉法观测光强分布图.结果表明：涡旋光束与平面波的相干叠加，可以视为在线性干涉图样中移入与拓扑荷数相关的叉型条纹；而具有相反拓扑荷数的涡旋光束的角向干涉图样，则呈现与拓扑荷数相关的角向干涉条纹.     

障碍物遮挡下漂移涡旋光束拓扑荷数的测量

复杂环境中漂移扰动和不透明障碍物破坏光振幅和光相位,给拓扑荷数（TC）精准测量带来挑战。分析了两种均匀离轴的多中心涡旋光束和一种随机离轴的漂移涡旋光束经扇形不透明障碍物（SSOO）后的传输情况,提出一种利用单柱透镜测量漂移涡旋光束TC的方法。对比光强法、傅里叶变换法以及相位法在极端条件下对漂移涡旋光束TC测量的结果,发现在以上3种方法失效时,所提方法仍可对输入光束的TC值大小及符号作出准确判断。这种抗光束漂移和抗遮挡的TC测量法对基于涡旋光的光通信和光加密具有重要应用价值。     

拉盖尔-高斯模叠加而成的部分相干光的相干涡旋

对Bogatyryova等人近来提出的一种可分离位相的部分相干光的相干涡旋作了详细研究.这类新的光束由相同角向指数的拉盖尔-高斯(LG)模非相干叠加而成.研究表明，叠加LG模式的模指数，权重因子和参考点位置的选择都会影响圆刃型位错出现的位置，使得涡旋消失或出现多个相干涡旋.而且，LG模叠加而成的位相不可分离的部分相干光也存在相干涡旋. 关键词： 奇点光学 一类新的部分相干光束 相干涡旋 圆刃型位错     

贝塞尔-高斯涡旋光束相干合成研究

基于相干合成技术,提出了对特定离散空间分布的高斯光束阵列加载离散涡旋相位生成二阶贝塞尔-高斯(Bessel-Gaussian,BG)涡旋光束的方案.利用干涉法、桶中功率和相关系数对合成BG涡旋光束的拓扑荷、光束质量进行了定量评价及参数优化.结果表明:基于相干合成技术能够产生特定的目标BG涡旋光束,阵列子光束紧密排布时合成BG光束的光束质量更高.该方法的提出对于其他涡旋光束的产生或者涡旋光束功率的提高具有一定的参考意义.     

完美涡旋光束在大气湍流中的斜程传输特性

完美涡旋（POV）光束具有光束半径与拓扑荷数无关的特点,与其他涡旋光束相比具有更加稳定的空间强度分布特性。利用多相位屏法和傅里叶变换法,分析了POV光束在大气湍流中的斜程传输特性。采用光束漂移和孔径平均闪烁指数作为大气湍流影响光束质量的评价参数,对比了POV光束与高斯涡旋光束在相同传输条件下的光束质量。结果表明：相比于高斯涡旋光束,POV光束的光束稳定性更好。当拓扑荷数增大或天顶角减小时,POV光束抵抗大气湍流的能力增强。在不改变POV光束拓扑荷数的前提下增大其光束半径,也能提高POV光束对大气湍流的抵抗能力。     

涡旋光束轨道角动量检测及其性能改善

利用光栅检测涡旋光束轨道角动量(OAM)并进行性能改善的方法容易实现且能降低通信系统成本。将涡旋光束照射到周期渐变光栅和环形光栅的合适位置,观察衍射图中光斑的分布规律,并对入射涡旋光束进行检测。实验结果表明,通过判断光斑中暗条纹的数量和朝向便可确定入射涡旋光束的拓扑荷的大小和正负,利用相位校正技术或光束复制技术可以使衍射结果中的条纹更加清晰,使用这两种技术后可将检测到的拓扑荷数提高至30。该研究为OAM复用通信中的解复用和涡旋光的产生提供了依据。     

各向异性海洋湍流DHPIM无线光通信性能分析

水下无线光通信系统易受由折射率波动起伏引起的海洋湍流的影响,造成光强闪烁、光束漂移、光束扩展和波前畸变等效应,从而使光信号产生衰落,导致通信质量降低及通信性能恶化.利用扩展的惠更斯-菲涅耳原理和渐近Rytov理论分别导出有限尺寸探测器的平均接收光功率和辐照度通量方差,研究了Gamma-Gamma湍流信道模型下双头脉冲间...     

高阶涡旋光束生成技术研究

应用液晶空间光调制器加载螺旋相位片的方法可以高效地生成涡旋光束,但由于液晶空间光调制器分辨率有限,在加载高阶螺旋相位片时其中心会出现相位失真,造成涡旋光束质量不高。通过在螺线相位片中心区域引入闪耀光栅的方法,得到了光束质量较高的高阶单模涡旋光束和多模涡旋光束,为生成高阶涡旋光束提供了一种很好的方法。     

海洋湍流信道中因斯-高斯光束及信号传输特性实验研究

因斯-高斯（IG）光束在复杂信道传输中具有较好的抗干扰能力。为此设计并搭建了基于模拟海洋湍流信道的激光通信实验平台,详细研究IG光束在海洋湍流信道下光束信号的传输及通信特性。首先实验对比研究了不同海洋湍流强度条件下,IG光束和高斯光束传输后的光强闪烁指数、质心漂移和探测器接收功率情况;其次通过调制0.5～3 MHz频率的方波信号,进一步研究两种光束传输后调制信号波形失真特性;最后进行IG光束和高斯光束的7.5 Mbit/s通信性能对比实验。实验结果表明：IG光束的闪烁指数、质心漂移、功率抖动均优于高斯光束,且随着海洋湍流强度增加,IG光束闪烁指数和质心漂移改善能力增强,功率抖动改善能力降低。在不同模拟海洋湍流中,相同频率的IG光束调制方波波形失真度整体低于高斯光束。在误码率为3.8?10-3（前向纠错阈值）时,IG光束在不同注水高度信道、不同温度信道和不同盐度信道中的通信性能比高斯光束分别提高了0.8 dB、4 dB和2.5 dB。该实验结果可以为IG光束应用于水下激光通信提供参考。     

部分相干艾里光在大气湍流中的光束扩展与漂移

基于Andrews和Philips的经典漂移方差模型,结合部分相干艾里光的交叉谱密度函数和Tatarskii功率谱,推导出部分相干艾里光在大气中传输时的光束扩展和漂移解析式,对比分析了不同的衰减因子、湍流强度和相干度等参数对部分相干艾里光的光束扩展和漂移的影响,并与高斯光束所得结果进行了比较.研究表明:衰减因子、湍流强度和相干度等对光束漂移影响较大,当它们的取值增大时,漂移越严重;内尺度对光束漂移几乎没有影响;在相同的条件下,艾里光束的光束漂移要比高斯光束小两个数量级,且其本身具有自恢复特性和较强的抑制湍流特性.     

径向部分相干光束在各向异性非Kolmogorov湍流中的传输

具有中心对称相干度分布的非均匀部分相干光,即径向部分相干光束(RPCB),可以有效降低大气湍流引起的光束闪烁,改善接收质量。应用波动光学仿真方法,比较研究了相干高斯光束、高斯谢尔模光束和具有凸型高斯型、超高斯型相干度分布的径向部分相干光束在各向异性的非Kolmogorov湍流中的传输特性,从远场光强分布和孔径平均闪烁指数等方面分析了湍流的各向异性参数和非Kolmogorov功率谱指数对远场光束质量的影响。仿真结果显示,光束的接收质量随功率谱指数的增大而持续劣化;同时,各向异性湍流会导致远场光斑呈椭圆形分布,因而在接收端使用等面积的椭圆接收孔径替代圆形孔径,可以显著降低接收机的孔径平均闪烁指数。总体而言,径向部分相干光束在各向异性非Kolmogorov湍流中,特别是在接收孔径较小的情况下,具有优于完全相干光和高斯谢尔模光束的传输性质。     

部分相干涡旋光束通过大气湍流上行和下行传输的比较研究

基于广义惠更斯-菲涅耳原理,以高斯-谢尔模型(GSM)涡旋光束作为典型的部分相干涡旋光束,推导出GSM涡旋光束通过大气湍流斜程传输的平均光强、均方根束宽和交叉谱密度函数的解析表达式,并用以研究了大气湍流中上行和下行对GSM涡旋光束传输和对相干涡旋的影响.结果表明,在相同条件下,GSM涡旋光束下行传输受大气湍流的影响要小于上行传输,下行传输时相干涡旋拓扑电荷守恒距离要长于上行传输.对所得结果做了物理解释. 关键词： 部分相干涡旋光束 相干涡旋 大气湍流 上行和下行传输     

彗差和球差对涡旋光束斜程传输特性的影响

利用涡旋光束作为空间光通信载波可以大大提高数据传输的容量,因此,研究涡旋光束在大气湍流中的传输具有重要意义.涡旋光束在大气湍流中传输时会产生光束漂移,进而影响通信系统的性能.本文基于多相位屏和傅里叶变换的方法,研究了带有彗差和球差的涡旋光束在大气湍流中传输时的光束漂移特性.结果表明,涡旋光束在大气湍流中传输时,随着传输距离的增大,彗差和球差对光束漂移特性的影响均明显增强.传输天顶角及彗差系数越大,涡旋光束的光束漂移量越大,而球差系数的增大,将会降低光束漂移量.当天顶角和传输距离相同时,涡旋光束的漂移量都会随着拓扑荷数的增大而减小.相对而言,彗差对涡旋光束的光束漂移特性影响比球差更大.     

强非局域介质中基于古依相位的旋转涡旋光孤子

利用强非局域非线性介质中傍轴光束传输的修正Snyder-Mitchell模型讨论了两束共线(即光束中心和传输方向都相同)拉盖尔-高斯型光孤子(CLGS)构成的涡旋光孤子传输过程。在一定条件下,涡旋光束在传输过程中,光束截面光斑发生旋转现象,但光束的束宽保持不变,称之为旋转涡旋光孤子。涡旋光孤子旋转的现象可以通过叠加光场中的古依相位来解释。结果展现了几个旋转涡旋光孤子在传输过程中的旋转现象和强非局域介质中多环形旋转涡旋光孤子的传输。     

相位屏法模拟高斯阵列光束海洋湍流传输特性

基于功率谱反演法产生海洋湍流相位屏,对多次传输过程进行统计平均,仿真分析不同海洋湍流参量下不同高斯阵列光束(矩形分布、径向分布及单束)长曝光光斑半径、光斑质心漂移特性及光强闪烁特性。结果表明:光束长曝光光斑半径、光斑质心漂移标准差及轴上闪烁系数均随湍流效应(湍流强度或传输距离)的增强而增大;同时,阵列光束与单束高斯光的光斑半径趋于一致,当传输距离继续增大时,单束高斯光束长曝光光斑半径略大。相对于单束高斯光,阵列光束在相同湍流条件下具有更小的漂移标准差,但轴上闪烁系数较大。相对于大气湍流而言,海洋湍流具有较强的闪烁效应。     

高斯涡旋光束在大气湍流传输中的特性研究

为了研究大气湍流对高斯涡旋光束传递信息的影响,理论分析了经过大气湍流的高斯涡旋光束轨道角动量(OAM)模式的径向平均功率和归一化平均功率分布、固有模式指数、初始光束半径和湍流强度;采用纯相位扰动逼近的有效性,数值模拟高斯涡旋光束在传输中的OAM模式径向平均功率分布的变化。建立传输模型并进行外场激光大气传输实验,对比分析了模拟和实测的OAM归一化平均功率分布,结果表明在弱湍流条件下,OAM模式的径向平均功率随着接收器孔径尺寸的增加而变化,逐渐趋于稳定值。对于一般常用的接收孔径,在强湍流或较小的初始光束半径条件下对OAM模式干扰十分严重。验证了用数值方法模拟OAM在湍流介质中的模式变化过程的可靠性。     

涡旋光束在水下湍流中传输的闪烁因子的实验研究

为了研究涡旋光束和高斯光束在水下湍流中的闪烁特性,搭建了一套含有水下湍流的实验系统,利用循环泵控制水槽内湍流的强弱,使用闪烁仪测量光束的闪烁因子。利用这套实验系统,详细研究了涡旋光束和高斯光束在水下传输时的闪烁因子。研究结果表明,涡旋光束和高斯光束的闪烁因子随着传输距离的增大而增大,并且随着水下湍流强度增大,涡旋光束和高斯光束对应的闪烁因子也越大。在12.6m的传播距离内,拓扑电荷m=2的涡旋光束的闪烁因子远大于高斯光束的闪烁因子。另外,在不同强度的水下湍流中,拓扑荷数m=6的涡旋光束传播到5.4m时,其径向闪烁因子都先减小然后再增大。此外,拓扑荷数m=6的涡旋光束经过一定距离的传播后,其闪烁因子低于拓扑荷数m=4的涡旋光束的闪烁因子。本文研究结果对探索涡旋光束在海洋湍流中的应用具有重要价值。