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。     

高斯涡旋光束在斜程大气湍流中的轨道角动量特性

本文基于广义惠更斯-菲涅尔原理和大气湍流理论模型,推导了高斯涡旋光束在non-Kolmogorov大气湍流中斜程传输的螺旋谱解析表达式和光强表达式,并数值模拟了涡旋光束传输后螺旋谱和光强的分布规律,分析了各光束参数和大气湍流对螺旋谱弥散的影响。研究结果表明：随着传输距离增大,螺旋谱弥散越强烈,在增大到一定距离时,各螺旋谱分量逐渐趋于均匀分布,光强逐渐呈高斯分布。增大光束的初始拓扑荷数和波长可有效减小传输后螺旋谱的弥散程度;当天顶角逐渐增大到π/2时,传输方式为水平传输,螺旋谱弥散程度显著增大;近地面折射率结构常数越大、湍流内尺度越小,螺旋谱弥散越严重,而湍流外尺度对螺旋谱的影响程度很小。     

空心高斯涡旋光束在各向异性non-Kolmogorov大气湍流的光强分布

为了分析大气湍流对空心涡旋光束传输光强的影响,基于广义惠更斯-菲涅尔原理和Rytov相位结构函数近似,利用各向异性大气non-Kolmogorov湍流谱模型,推导出空心高斯涡旋(HGV)光束在各向异性大气湍流中的传输光强解析式,数值模拟分析了传输距离、湍流参数和光束参数对光强分布的影响.研究结果表明:随着传输距离增大,...     

大气湍流中贝塞尔-高斯涡旋光束传播性能分析

为了研究涡旋光束在湍流大气中的传输特性,根据广义的惠更斯-菲涅耳原理,采用基于快速傅里叶变换的功率谱反演法,对贝塞尔-高斯光束在大气湍流中的传输过程进行了理论分析和数值仿真; 采用次谐波补偿法产生随机相位屏来模拟大气湍流,解决了大气湍流模拟时存在低频成分不足的问题。结果表明,除了湍流强度外,传输距离、拓扑荷数、激光波长等也成为影响贝塞尔-高斯涡旋光束质量的主要因素; 湍流越强,光束的环形光强越弱,相位畸变越严重,光强起伏越明显,且逐渐退化为普通高斯光束; 随着传输距离的增加,涡旋光束扩散现象明显,最终退化为普通高斯光束; 波长越长,则涡旋光束抑制湍流能力越强,环形光强越强,相位畸变程度会得到逐步改善; 拓扑荷数越小,涡旋光束会最先退化为普通高斯光束,相位畸变程度越弱。该结果对于研究涡旋光束在自由空间光通信中的传输是有帮助的。     

基于微扰法研究涡旋光束在大气中传输的热晕效应

基于一阶微扰法,推导了涡旋光束在大气中传输的稳态热晕解析表达式,并得到了由热晕引起的涡旋光束的相位畸变表达式.通过数值模拟涡旋光束在大气中传输的光强等值线分布,详细分析了传输距离、初始功率、横向风速、大气吸收系数和初始半径对涡旋光束热晕的影响.研究结果表明,在其他参数不变的情况下,单一增大涡旋光束的初始功率、传输距离和...     

圆艾里高斯涡旋光在各向异性非Kolmogorov湍流大气中的传输

采用非均匀采样与功率谱反演法产生与湍流尺度相关的各向异性非Kolmogorov湍流随机相位屏,进而利用空间光调制器模拟研究圆艾里高斯涡旋光束在大气湍流中的漂移特性和轨道角动量态变化。数值模拟和光学实验结果均表明,圆艾里高斯涡旋光束的漂移值随光束衰减系数、光束主半径、大气湍流外尺度和传输距离的增大而增大,随湍流各向异性系数和光束拓扑荷值的增大而减小,并且在湍流幂律值为3.3附近有极大值。此外,通过对比圆艾里高斯涡旋光束经过大气湍流前后的干涉条纹图样,发现整数阶时拓扑荷值越小,光束经过湍流之后拓扑荷值稳定性就越好。     

矢量涡旋光束经光阑-透镜系统的OAM与偏振特性

与标量涡旋光束不同,矢量涡旋光束同时具有各项异性的空间偏振分布和螺旋相位分布,并携带与相位分布有关的轨道角动量(Orbital angular momentum,OAM)。根据柯林斯衍射积分理论,得到了傍轴近似条件下矢量涡旋光束的OAM密度,实验采集了矢量涡旋光束通过光阑-透镜系统后的光场,详细讨论了光阑截断参数以及光阑-透镜间距等参数对矢量涡旋光场及其OAM密度的影响。结果表明:相比标量涡旋光束,矢量涡旋光束OAM通过光阑系统后随传输距离的衰减更慢,受光阑截断参数影响更小。矢量涡旋光束偏振态不受光阑-透镜系统影响,截断参数大于4.2时,轨道角动量密度和光强不受截断参数影响。在透镜焦点位置处,OAM密度达到最大值。研究结果为矢量涡旋光束OAM特性的应用提供理论依据。     

反常涡旋光束在分层海洋湍流中的光强和相位特性研究

基于扩展惠更斯-菲涅尔原理在修正的海洋光学湍流频谱模型中推导了反常涡旋光束在分层海洋湍流中传输的交叉谱密度函数,在弱湍流的情况下,计算了反常涡旋光束通过分层海洋湍流传输后光束的光强和相位随湍流中传输距离的变化关系,分析了反常涡旋光束空间相干长度、海洋湍流相关参数和传输距离对反常涡旋光束传输的影响。结果表明：反常涡旋光束在分层海洋湍流中传输后完全退化为高斯光束;当海洋湍流处于不稳定分层时,由盐度驱动,反常涡旋光束退化速率变快,由温度驱动,反常涡旋光束退化速率减缓;相位随着传输距离的增大由四瓣退化为圆形亮斑。     

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。     

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。     

反常涡旋光束在各向异性大气湍流中的漂移

为了研究部分相干反常涡旋光束在各向异性大气湍流中的漂移特性,基于各向异性非Kolmogorov大气湍流谱模型,利用几何光学近似与Rytov近似解得到了部分相干反常涡旋光束(PCAVB)在各向异性湍流中传输的光束漂移解析式,并对该漂移解析式进行数值模拟.研究了拓扑荷、相干长度、各向异性因子、折射率结构常数等光束参量及湍流...     

单光子斜程量子信道纠缠角动量的大气湍流效应

分析了von Karman型湍流大气对量子光信道中传输的由参量下转换源生成纠缠轨道角动量态的影响。运用Rytov近似、波相位结构函数的平方近似和修正von Karman折射率起伏谱,研究了完整包含大气湍流引入振幅与位相起伏效应的斜程湍流大气通信信道中单光子纠缠轨道角动量态的测量概率模型,建立了长曝光与短曝光两种曝光条件下斜程湍流大气传输单光子纠缠轨道角动量态的测量概率理论关系。数值研究了天顶角分别为θ=π/6和θ=π/3时的长短或曝光情况下,轨道角动量态纠缠光子对联合概率随着传输距离的变化。数值结果表明：在z〈500m的传输距离内,纠缠光子对的联合检测概率随传输距离增加而快速下降,但传输距离达z〉1000m后联合检测概率几乎不再下降;结果也发现,携带轨道角动量小的纠缠光子对的联合测量概率减少率比携带轨道角动量大的纠缠光子对的联合测量概率的要小;光束传输天顶角越大,联合概率下降幅度越大。     

偏振部分相干激光斜程湍流大气传输的漂移扩展

采用光场的一阶矩和二阶矩作为评价参数,研究了偏振部分相干激光波束在斜程湍流大气传输中的漂移效应和扩展效应。根据推广的惠更斯-菲涅耳原理,以椭圆偏振部分相干激光波束为研究对象,推导了斜程传输情况下波束的重心坐标、扩展半径和扩展角的表达式,数值分析了偏振波束两正交分量的相位差、方向角、波长、初始束腰半径和接收机高度对波束漂移及扩展的影响。结果表明,在确定的斜程传输距离和接收机高度下,随着偏振波束两正交分量相位差的增大,漂移效应先增大后减小,在确定的斜程传输距离下,接收机高度越高,波束的漂移效应和扩展效应越小。     

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.     

部分相干双涡旋光束在海洋湍流中的传输

基于广义惠更斯―菲涅耳原理,推导了部分相 干双涡旋光束在海洋湍流中传输时光强分布的理论表 达式,详细研究了部分相干双涡旋光束在海洋湍流中的传输特性。研究结果表明,在传输距 离较小的情况 下,双环结构扩展随着外环拓扑荷数的增加而增大,传输一定距离以后光束转化为空心分布 ,当传输距离 足够长后,光强分布转化为类高斯分布。研究还发现,双涡旋光束在海洋湍流中的强度分布 也受到海洋湍 流相关参数的影响,并且随着海洋湍流的相关参数的改变,光束转化为类高斯分布所需要的 传输距离也随 着改变。另外,在传输距离较短的情况下,光源的相干性越好,光束的双环结构越明显,并 且中间的“暗核” 越明显。所得结果对于部分相干双涡旋光束应用于水下湍流环境有着重要的意义。     

斜程大气湍流中成像系统分辨率的影响因素研究

大气湍流是影响光学成像系统分辨率不可避免的因素之一。为了研究大气湍流内外尺度、湍流轮廓线及探测高度对光学成像系统分辨率的影响,根据光学成像系统积分分辨率理论及修正Von Karman湍流谱,推导了斜程传输路径下考虑湍流内、外尺度的光学成像系统的分辨率积分公式。数值计算中应用ITU-R公布的随高度变化的大气折射率结构常数模型,结果表明:湍流内尺度对光学成像系统分辨率的影响要远小于湍流外尺度对分辨率的影响,而湍流内尺度又限制着外尺度对光学成像系统分辨率的影响;斜程传输时,湍流轮廓线的影响大于外尺度对积分分辨率的影响;光学成像系统分辨率在近地面受近地面大气结构常数的影响大,而当高度大于5 000 m时,光学成像系统分辨率受风速的影响大。