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。     

非傍轴拉盖尔-高斯光束的轨道角动量密度特性北大核心CSCD

采用矢量瑞利-索末菲衍射理论推导了非傍轴近似条件下拉盖尔-高斯光束的电场解析表达式,基于该表达式分别推导了傍轴近似和非傍轴近似条件下的轨道角动量密度解析表达式。通过数值仿真,研究了傍轴和非傍轴近似条件下光束的轨道角动量密度分布特性,并分析了拓扑荷、束腰半径、传输距离对轨道角动量密度分布的影响。研究表明,非傍轴近似条件下轨道角动量密度分布与傍轴近似条件下不同,但随着拓扑荷的增加,其分布形状与傍轴近似条件下比较接近。傍轴近似条件下的拓扑荷、束腰半径、传输距离不会影响轨道角动量密度的分布形状,而非傍轴近似条件下轨道角动量密度分布的形状、尺寸都会受上述参数的影响。     

复宗量拉盖尔-高斯光束通过矩形光阑的传输

利用拉盖尔-高斯模和厄米-高斯模的变换公式,并使用将二维矩孔光阑窗口函数展开为有限个复高斯函数之和的方法,得到了复宗量拉盖尔-高斯(LG)光束通过含矩形硬边光阑近轴ABCD光学系统的变换的解析传输公式,并对复宗量LG光束通过矩形硬边光阑的衍射和聚焦特性进行了研究。该方法对研究有不同几何对称性光阑光学系统的光束变换是有用的。     

拉盖尔-高斯光束通过含矩形光阑光学系统的变换

基于厄米-高斯模与拉盖尔-高斯模的变换关系和递推算法,推导出拉盖尔-高斯（LG）光束通过含矩形光阑近轴ABCD光学系统传输的递推公式。作为应用例,对LG光束通过光阑透镜分离系统的变换作了数值计算和分析。本文有关结果提供了一个研究有不同几何对称性光束间变换的有效方法。     

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.     

含有径向节点的拉盖尔-高斯光束产生涡旋高次谐波的特征

利用红外超快涡旋激光脉冲与气体介质相互作用可以产生携带轨道角动量的极紫外高次谐波。采用含有径向节点的拉盖尔-高斯（LG）光束作为驱动光,利用定量重散射模型计算单原子响应,通过求解谐波场在介质中传播的三维麦克斯韦方程以及在傍轴近似下的惠更斯积分,分别获得近场和远场高次谐波的强度和相位分布。结果表明:随着驱动光的径向节点数增加,高次谐波的强度分布呈现多环结构,相位分布上出现节点结构,强度分布的空间范围在近场减小,而在远场增大。相位匹配分析显示,短轨道和长轨道高次谐波的空间相干长度分布图对驱动激光的模式非常敏感,与高次谐波场在气体介质内的演化图像定性一致,解释了有径向节点的LG光束作用下产生的涡旋高次谐波的特征。     

光束波前畸变的模拟及其相位梯度分析

大口径光学元件的表面制造误差会使透射或反射波前产生畸变,这是天文光学系统以及ICF激光系统关心的问题.文章使用了一个随机相位屏来模拟光学制造误差导致的光束波前畸变,并利用波前相位梯度这个参数来对波前畸变进行定量化分析.介绍了波前相位梯度的定义和算法,通过数值计算得到了一维和二维波前畸变的梯度分析结果,并对不同畸变情况的模拟结果进行了比较.     

拉盖尔-高斯光束的聚焦特性

使用Collins衍射积分公式,推导出无光阑限制情况下,聚焦拉盖尔-高斯光束的相对光强增量和焦移。对有光阑限制的拉盖尔-高斯光束作了详细的数值计算以说明其聚焦特性。     

截断拉盖尔-高斯光束的MG2因子

用广义截断二阶矩方法对截断圆对称拉盖尔高斯光束的广义光束传输因子(MG2因子)作了研究,得到了MG2因子的解析公式,并用数值计算例作了说明。研究表明,截断圆对称拉盖尔高斯光束MG2因子与截断参数和光束的阶数有关。随着截断参数的增加,MG2因子逐渐趋近于无截断圆对称拉盖尔高斯光束的光束传输因子值。     

光束半径测量方法对拉盖尔-高斯光束束宽及M~2因子的影响

根据二阶矩法、刀口扫描法、可变光阑法对光束束宽的定义，计算了二阶矩法中所有Ｍ~２≤８的拉盖尔－高斯光束的半径及相应的Ｍ~２因子的值，对所得结果进行了讨论。     

透镜球差对拉盖尔-高斯涡旋光束聚焦特性的影响及改善方法

涡旋光场调控对涡旋光在激光通信、生物操控等领域的应用研究具有重要意义。为了揭示透镜球差对拉盖尔-高斯(Laguerre-Gaussian,LG)涡旋光束传输特性的影响,本文基于菲涅尔衍射理论,模拟研究了不同透镜球差系数下的LG光束聚焦场的强度、相位以及螺旋谱分布。结果表明:光学系统初级球差系数的增大恶化了LG光束聚焦场的强度分布和螺旋相位,弥散了轨道角动量(orbital angular momentum,OAM) 。由此,本文提出了一种光阑补偿方案,通过在透镜前添加大小合适的圆孔光阑,以消除透镜像差。光阑补偿后的LG光束聚焦场由星芒状空心分布恢复为空心圆环分布,OAM态保持单一稳定。本研究工作为改善透镜像差对涡旋光的传输影响提供了解决方案。     

集成OAM光束发射器模式纯度仿真分析

本文通过FDTD仿真和偶极子建模仿真对不同OAM发射结构的模式纯度、模斑半径、辐射能量密度等参数进行了研究，并且分析了阶数、背向散射、耦合损耗等因素对模式纯度的影响。     

基于光载无线技术的毫米波轨道角动量多维联合调制/解调研究

提出了一种基于光载无线(ROF)技术的W波段涡旋毫 米波生成及轨道角动量(OAM)多维联合调制 /解调方法。采用ROF技术在光域对微波源进行倍频生成W 波段光学毫米波,并通 过集成光调制 器对光学毫米波的相位和幅度进行调控。通过合理调控圆环天线阵列(CAAs)的辐射毫米波 相移,从而实 现涡旋毫米波的生成以及状态切换。同时,设计了64阶OAM、幅度和 相位的三维联合调制格式, 并通过模拟仿真,成功实现了75Gbit/s高阶联合调制信号的调制/解 调。研究结果表明,OAM 作为一个新 的物理维度不仅可以通过复用来实现传输容量密度的提升,同时也可以作为调制手段实现 传输容量的提 升,在提高无线频谱效率以及保密通信中具有重要的潜在应用价值。     

多高斯关联扭曲光束在GRIN光纤中的轨道角动量演化

轨道角动量(orbital angular momentum, OAM)的引入丰富了光通信领域内的调制维度,为寻找更高效快捷的通信方式提供了新思路,相较于传统携带涡旋相位的涡旋光束,部分相干扭曲光束携带的OAM性质更为复杂。本文针对椭圆多高斯关联扭曲光束在梯度折射率(gradient-index, GRIN)光纤中的OAM传输,基于GRIN光纤的ABCD光学传输矩阵,着重分析了多高斯关联扭曲光束在GRIN光纤传输的OAM的传输演化特性。研究结果表明,光束的光强、OAM通量密度以及归一化OAM通量密度在光纤传输过程中均呈现周期性变化,通过对关联结构以及扭曲因子的调控不仅可以改变光束OAM通量密度的分布,还可以调控单光子携带OAM的大小。本文的研究有助于丰富扭曲部分相干光束在GRIN光纤中传输的理论结果,在光纤通信中具有潜在的应用前景。     

涡旋电磁波无线通信技术发展综述

由于携带轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM),涡旋电磁波具有螺旋相位结构以及不同模态相互正交的空间性质,因此将其应用于无线通信技术领域以提升频谱利用率以及通信容量受到学界关注。介绍了涡旋电磁波的结构以及特殊性质,总结了近几年国内外涡旋电磁波在天线技术的进展并对比了各类天线性能,分析了涡旋电磁波在多输入多输出、复杂环境传输以及模态混叠检测领域的不足与发展态势,指出了未来基于涡旋电磁波无线通信发展的方向以及挑战。     

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。     

耦合对环形相控阵生成涡旋电磁波的影响

该文研究了环形天线阵列生成具有轨道角动量的微波频段涡旋电磁波的过程中,天线阵列单元间的耦合对生成的涡旋电磁波的模式的影响.通过理论分析,以及基于矩量法的全波电磁数值计算,给出了在一定的条件下,耦合对生成的涡旋电磁波的模式数的影响.结果表明,当存在耦合的旋转对称性时,耦合不会对涡旋波的生成造成影响;而当不存在耦合的旋转对称性时,单元间耦合会使生成的涡旋波偏离理想结果.耦合对涡旋波的影响程度敏感于模式数、环形阵列半径、观测点方位.基于文中的参数,即使相邻单元间距大于两个波长,耦合也可能使模式数改变14%以上.     

轨道角动量天线波束控制技术的研究进展

轨道角动量( Orbital Angular Momentum,OAM)因其模数的无限性与正交性在提升通信容量方面有着巨大的潜力,对解决频谱资源不堪重负的现状有很强的现实意义,而OAM波束自身的发散角限制了其远距离通信的能力. OAM波束控制技术作为OAM波束固有的发散角问题的解决方案,极具研究价值和发展前景.介绍了近...