激光轨道角动量态的湍流倾斜、像散和慧差效应

为了分析斜程大气信道中湍流像差对激光束轨道角动量态的作用,数值研究了湍流z-倾斜像差、湍流像散和湍流慧差对激光束轨道角动量态测量概率的影响,得出了此3种湍流像差随折射率结构常数、传输距离和天顶角起伏影响光束轨道角动量态测量概率的规律。结果表明,随着地面湍流强度增强、信道长度增长和天顶角的增大,湍流z-倾斜像差使激光束原轨道角动量态的测得概率进一步降低,湍流慧差仅在天顶角增大时才出现激光束原轨道角动量态的测得概率进一步降低现象,湍流像散对激光束原轨道角动量态测得概率的影响随此3参量变化时基本不变。     

斜程湍流大气光通信信道的单光子轨道角动量

研究了基于单光子轨道角动量技术的量子光通信系统的大气湍流效应,动用Rytov近似和修正von Kamm折射率起伏谱,建立了单光子轨道角动量斜程湍流大气通信信道中轨道角动量l的测量概率理论模型。本文同时给出了量子信道的单光子轨道角动量平均值l=〈l〉的计算关系。     

大气湍流对单光子通信中光子态的影响

为了研究光子态在大气湍流中的变化规律,基于拉盖尔-高斯光束横向空间波函数(光子轨道角动量的本征函数)以及湍流大气中拉盖尔-高斯光束光子态(可由各本征光子态叠加构成),得到了湍流大气中光子态的探测概率,并分析了大气湍流、传输距离、质量因子对光子态的影响。结果表明,质量因子是决定发射光子态跳变的重要因素,相同质量因子的光子态在接受端的测量权重基本相同,且质量因子值越大原光子态测量权重越小。同时,在湍流大气的影响下,从原光子态跳变到轨道角动量增加某值的光子态的测量权重总和与跳变到减小相应轨道角动量的光子态的测量权重总和基本相同;随着湍流强度或传输距离的增加,发射光子态在接受端的光子测量权重不断减小,而且湍流强度对光子态测量权重的影响比距离的大。     

大气斜程传输中高阶贝塞尔高斯光束轨道角动量的研究

大气湍流引起大气折射率随机变化, 导致空间不均匀性。高阶贝塞尔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,形成不同的光子态引起轨道角动量的弥散。在Rytov近似下,计算了高阶贝塞尔光束在大气斜程传输中各分量所占光束总能量的权重。讨论并对比折射率结构常数,光束波长,天顶角,轨道角动量数,接收孔径和光斑大小等参数对螺旋谱的影响,并给予相应的物理解释。结果表明:随着折射率结构常数,天顶角和传输距离的增加以及光束波长的减小,螺旋谐波主分量对应的谱减小,轨道角动量弥散越大,而且望远镜接收孔径和光斑大小对轨道角动量弥散的影响非常小。     

光束轨道角动量的量子通信编码方法研究

高阶Bessel无衍射光束具有轨道角动量,并且是在自由空间中传播时一定范围内横向强度分布保持不变的单色光场,光场中的每个光子都具有确定的轨道角动量 ,在每一本征模中由光量子携带的角动量数由拓扑荷 表示,本征态 可被用于多维量子纠缠。文中基于高阶Bessel光束,提出一种利用具轨道角动量光子正交态作为信息载体实现光通信的方法,每光子携带有确定的轨道角动量态,可以提高通信协议的密钥生成效率,也为增加光通信距离提供一种量子解决方案。     

大气湍流下轨道角动量复用态串扰分析

以加载QPSK调制信号的轨道角动量（OAM）光束为传输载波,以多个相位屏模拟大气湍流,研究不同大气湍流强度下OAM复用态的串扰情况。通过对复用光束光强和相位研究,得出在OAM复用态光强受到湍流影响时会发生明显的闪烁现象,光功率分散,相位发生旋转弯曲,且湍流强度越大,受到的影响越大。选用螺旋谱分析不同湍流强度下各OAM复用态之间的弥散程度,当大气湍流强度增加时,OAM态之间的弥散程度增加,且较强湍流会导致OAM复用态失真。同时,考虑OAM复用态之间的模式串扰以及每路携带信息的OAM态因大气信道引起的混合噪声而造成的码间干扰,对比研究了不同大气湍流强度下系统误码率随传输距离的变化,结果表明:系统误码率随传输距离的增长而增大,强湍流之下光束误码率会随着传输距离增长到一定程度后趋于平稳,弱湍流之下光束误码率会随着传输距离的增长而增大。     

轨道角动量纠缠光子对联合探测概率的研究

研究了自发参量下转换过程产生的轨道角动量纠缠光子对的联合探测概率,在忽略光子的偏振和晶体为薄晶体的情况下推导出轨道角动量纠缠光子对的联合探测概率的表达式。研究表明：自发参量下转换过程中抽运光、信号光以及空闲光的参数（束腰、轨道角动量和径向指数）的大小决定着纠缠光子的联合探测概率。     

一种基于OAM的FSO误码性能的理论分析方法

携带轨道角动量的涡旋光束在自由空间光通信信道中传输时,信道中的湍流介质会改变涡旋光束的传播特性,破坏波前螺旋结构,最终直接影响通信的稳定性和可靠性.针对现有实验研究在普适性方面的不足,本文选取基于相干光束合成技术的高功率涡旋光束阵列为研究光源,从理论角度出发,建立一套完备的体系架构,用以分析大气湍流引起的幅度和相位起伏对基于轨道角动量的自由空间光通信系统性能的影响.应用光学外差检测,对湍流条件下信噪比的随机分布进行详细的研究,并基于此得到多进制相移键控调制下符号错误概率的解析表达式,评估不同湍流信道参数、光源参数以及接收机参数对符号错误概率的影响.结果表明,增大阵列子光束束腰半径、阵列子光束个数,减小阵列环状半径,可以提高光束质量,优化系统性能.另外,较小的拓扑荷数、传播距离和湍流强度以及较大的接收孔径直径使得符号错误概率较低,对应的通信性能更佳.     

拉盖尔-高斯波束在弱湍流海洋中轨道角动量传输特性变化

瑞托夫近似方法被用于分析研究弱湍流对海水环境中拉盖尔-高斯(Laguerre-Gaussian, LG)波束轨道角动量模式探测概率、串音概率以及螺旋谱分布的影响.结果表明:海洋湍流对轨道角动量的影响明显强于大气湍流, 海水环境中LG波束信号轨道角动量模式有效传输距离只有几十米;海洋湍流明显导致信号轨道角动量模式探测概率下降, 轨道角动量模式串音变强, 螺旋谱严重扩展;海洋湍流的影响随着轨道角动量角向模式、径向模式增加, 以及发射波长减小而增强.虽然较长的波长能降低海洋湍流影响, 但考虑到海水的散射和吸收作用, 蓝绿波长仍然是最佳选择.     

激光斜程湍流大气传输平均偏振起伏

运用光子密度分布函数和采用大气折射率起伏Von Karmam湍流谱、研究了相干激光通过斜程大气传输时的平均量子偏振起伏。通过唯象方法导出大气折射起伏对光场相位调制关系,从而建立了斜程大气光子密度分布函数模型。基于斜程湍流大气光子密度分布函数导出了平均＂量子偏振度＂的解析关系。结果指出：湍流大气导致光束偏振度起伏满足零均值高斯分布,大气湍流不影响光子偏振度统计平均值。     

弱湍流大气中部分相干涡旋光束的轨道角动量特性

根据轨道角动量谱理论,推导了部分相干拉盖尔-高斯光束轨道角动量态的功率表达式。分析了相干长度、束宽对轨道角动量的影响,讨论了弱湍流大气中部分相干-拉盖尔高斯光束轨道角动量特性。结果表明:部分相干拉盖尔-高斯光束在相干长度与束腰半径比值固定的情况下,其初始轨道角动量态相对功率不会随着束腰半径的改变而变化。在部分相干拉盖尔-高斯光束初始相干长度与束腰半径取值大小相同的情况下,随着束腰半径的增大,光束在弱湍流大气中传输1 km处的初始轨道角动量态相对功率减小。     

部分相干径向偏振涡旋光焦场轨道角动量特性

将部分相干径向偏振涡旋光束的轨道角动量应用于焦场目标探测,根据部分相干及Richards-Wolf矢量衍射积分理论,推导了光束焦场目标平面处的光场分布,讨论了焦平面处的轨道角动量密度分布特性,分析了入射光束的相干长度和聚焦透镜的数值孔径对纵向分量轨道角动量密度分布和轨道角动量的影响。结果表明,随着相干长度的增大,轨道角动量和轨道角动量密度迅速变大,当增大至0.5 cm后,轨道角动量和轨道角动量密度的变化趋于平缓,此后,相干长度的变化不再影响轨道角动量和轨道角动量密度分布。随着数值孔径的增大,轨道角动量和轨道角动量密度始终表现出增长的变化趋势,并且,变化程度在数值孔径大于0.7后越来越大。     

大气湍流对拉盖尔-高斯光束传播质量的影响

为了从系统的角度研究大气湍流对涡旋光束传播 质量的影响,根据广义惠更斯-菲涅尔积分和Kolmogorov湍流大气原理,利 用傅里叶光学分析方法和光束分步传播法对携带有轨道角动量(OAM)的 拉盖尔-高斯(LG)光束在湍流大气中的传播进行理论分析与数值仿真, 导出角谱形式的衍射模型及其对应的抽样限制条件。利用桶中功率(PIB,power in bucket)计算方法,分析湍流强度对不同OAM值的LG光束质量的 影响;引入高斯光束和点光源,对比评估典型光束的抗湍流能力。数值仿真结果表明:受大 气湍流影响,随着LG光束在湍流大气 中传播距离增加,光束会聚能力变弱有明显扩散;光束本身特有的环状光强分布及其相应的 相位分布都受到不同程度的破坏,损伤 程度与光束本身携带的OAM数有关;点光源对湍流的影响最为敏 感;高斯光束具有与小OAM值的LG光束相比拟的抗 湍流能力,且比大OAM数的LG光束有更强的抗湍流能力。     

轨道角动量模传输的圆环形光子晶体光纤

设计了一种新型轨道角动量模传输的圆环形光子晶体光纤,包层为排列有序的矩形空气孔围绕纤芯呈圆形排列,纤芯为大的空气孔,中间环形高折射率区为光子轨道角动量传输区。利用基于有限元法的COMSOL Multiphysics软件进行仿真分析,对光子轨道角动量模式在光纤中的传输特性进行了详细讨论。结果表明,该结构可实现1.2~2.0 m波段50个轨道角动量模式的有效分离和稳定传输,简并模式的有效折射率差大于10-4,保证了每个模式的稳定传输;限制损耗仅为10-9 dBm-1,非线性系数低至0.833 km-1W-1。该光纤可以应用于模分复用系统,将大大提高通信系统容量和频谱效率。