扭曲多高斯光束在梯度折射率光纤中的传输特性

为了得到一种新型椭圆扭曲多高斯-谢尔模(TMGSM)光束, 采用Mercer模式展开的方法进行了理论分析和验证, 证明了多高斯-谢尔模关联结构可携带扭曲相位, 详细研究了其在梯度折射率光纤中传输时的光强和相干度演化。结果表明, 椭圆TMGSM光束在梯度折射率光纤中传输时, 光强和相干度分布随着传输距离的增加发生周期性旋转, 并在0.5L(L为周期)的整数倍处偏转π/2, 其旋转角速度呈非线性变化且与扭曲因子的大小有关; 增大多高斯模数, 焦平面处光强分布的平顶区域增大, 相干度分布轮廓变小。此研究结果在光纤通信、聚焦成像、光学捕获等方面具有潜在的应用前景。     

扭曲椭圆高斯谢尔模光束的自修复特性

基于Collins公式推导了扭曲椭圆高斯谢尔模光束在经过高斯吸收型障碍物后传输的场分布解析表达式,得到了一种有效增强光束自修复能力的基础扭曲光束模型,分析了光源各参数对光束自修复特性的影响,揭示了光束强度、相干度和轨道角动量通量密度在被障碍物部分遮挡后传输的规律以及三者之间的内在联系,解释了扭曲光束自修复特性的内在原理。研究表明,适当减小相干长度和扭曲因子可以在保留扭曲光束特性的同时增强光束的自修复能力。该研究结论有助于优化部分相干光在自由空间传输的整体性能,在自由空间光通信、激光雷达、遥感成像等领域具有潜在的应用价值。     

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。     

轨道角动量光束中的经典光关联及其应用研究北大核心CSCD

量子光场的关联性质是量子光学研究的一个重要主题。在对其深入挖掘的过程中,人们在经典光场关联性质方面的研究也取得了一系列重要进展。尤其是结合近二十年来在光信息处理方面备受关注的轨道角动量自由度,观察到许多与高维量子光关联性质相对应的现象。本综述对轨道角动量光束中的经典光关联相关研究进行了总结,介绍了轨道角动量光束中的局域不可分离性及其应用,对空间可分离轨道角动量光束中的经典光关联也做了讨论。特别地,作为一种潜在的量子过程研究平台,还对基于轨道角动量光束的随机行走研究作了介绍。     

椭圆厄密-高斯光束的轨道角动量密度分布

在简述傍轴条件下光束轨道角动量密度一般计算的基础上,运用张量方法,对椭圆厄密高斯光束的轨道角动量密度进行了理论分析,得到了计算该种光束的轨道角动量密度分布的公式,并在不同参数条件下通过数值模拟给出了直观的密度分布结果.     

涡旋电磁波轨道角动量模态抗干扰性能分析

The electromagnetic vortex wave has demonstrated excellent research value with potential applications in the fields of wireless communication and radar detection and imaging due to its unusual electromagnetic field distribution and theoretically infinite orthogonal Orbital Angular Momentum (OAM) modes. This study analyzes the anti-interference performance of OAM modes in the electromagnetic vortex Radio Frequency (RF) transceiver link primarily from the perspective of the electromagnetic vortex field distributions in space and the OAM modes orthogonality. Planar antenna arrays are designed to generate the electromagnetic vortex beams with respective OAM modes of and in the C band, and the corresponding RF transceiver links are established. The OAM modes’ anti-interference properties under different interference situations are analyzed in the electromagnetic vortex RF transceiver link by using a horn antenna as the interference source. Meanwhile, the corresponding OAM mode spectrum and the OAM modes’ orthogonality are employed as the primary methods in our analysis. Finally, the designed antenna models are fabricated, and the electromagnetic vortex RF transceiver links are measured. The corresponding analyses and conclusions are presented in this study. The OAM modes’ anti-interference performance analysis in the vortex electromagnetic wave’s RF transceiver link can provide a reference for exploring and designing a vortex electromagnetic wave in wireless communication and radar detection and imaging research.      

径向偏振扭曲矩形多高斯-谢尔模光束及其传输特性

近年来,携带扭曲相位的部分相干光束因其独特的性质受到广泛关注。引入一种同时携带扭曲相位和具有特殊空间关联结构的部分相干矢量光束,即径向偏振扭曲矩形多高斯-谢尔模光束,推导了该光束通过ABCD光学系统后的交叉光谱密度矩阵元解析表达式,并研究了它的归一化光强分布、光谱相干度和光谱偏振度的演化特性。研究结果表明,当无扭曲相位时,径向偏振矩形多高斯-谢尔模光束的光强由源平面的空心圆环轮廓逐渐演变成矩形平顶轮廓。相较而言,径向偏振扭曲矩形多高斯-谢尔模光束所携带的扭曲相位不仅会引起光束光斑的旋转,还会引起传播过程中光束的相干度和偏振度的一系列变化。该研究结果为扭曲相位实现新型矢量结构光束的调控提供一定的理论指导,在光束整形、光学微操纵和自由空间光通信等领域有着潜在的应用。     

拉盖尔-高斯光束空间传播波前畸变的RMS评估

定量评估拉盖尔-高斯(LG,Laguerre-GAUSS)光束在大气湍流中传输的相位畸变,对 补偿和提高轨道角动量(OAM,Orbital angular momentum)自由空间光通信的质量具有重 要作用。提出将Zernike多项式导出的LG光束波前畸变的均方根(RMS) 作为光束传播的相位畸变评估指标,并在仿真实验中采用分谐波(SH)随机相位屏模拟大气湍 流。 通过Matlab仿真方法对携带不同拓扑荷值的LG光束在湍流中传输的波前畸变(WFD)的RMS进行 分析和讨论。仿真结果表明,利用SH波法产生的随机相位屏比快速傅里叶变换(FFT)法更接 近 实际的大气湍流;受大气湍流影响,LG光束的相位受到破坏,且其损伤程度与光束传输距 离﹑光束携带OAM数l有关;WFD的RMS计算结果与相位仿真结果一致,作为算例,OAM数分别为l＝1、3和5的LG光束传输500m后的WFD的RMS值 依次对应为0.004、0.004和0.005,显示波前畸变愈加严重;对l为1的LG 光束,随着传输距离从500m增大到4500m,其WFD的 RMS值由0.004增大到0.005,也表明WFD更加严重。因 此,RMS定量评估方法可以较为准确和客观地反映LG光束WFD的规 律。     

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。     

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。     

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。     

用光束轨道角动量实现相位信息编码

光束轨道角动量的本征态可实现高维量子信息的传输,将此特性用于信息的编码,可以提高数据编码的密度.提出了对八台阶结构相位编码的方法,根据相位旋转角的不同,来控制入射光束的相位延迟,进而实现相位信息的编码.讨论了基模高斯光束经过不同台阶后的螺旋谱分布,通过阵列功率探测器检测特定编码台阶结构对应的螺旋谱,区分不同的编码数据态,实现相位信息的解码.每个存储单元理论上可编码24 bits数据信息,是四台阶结构编码信息的3倍.     

用光束轨道角动量实现相位信息编码

光束轨道角动量的本征态可实现高维量子信息的传输,将此特性用于信息的编码,可以提高数据编码的密度.提出了对八台阶结构相位编码的方法,根据相位旋转角的不同,来控制入射光束的相位延迟,进而实现相位信息的编码.讨论了基模高斯光束经过不同台阶后的螺旋谱分布,通过阵列功率探测器检测特定编码台阶结构对应的螺旋谱,区分不同的编码数据态,实现相位信息的解码.每个存储单元理论上可编码24 bits数据信息,是四台阶结构编码信息的3倍.     

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。     

微环谐振腔中点光源产生轨道角动量的特性北大核心CSCD

提升量子光源在量子信息处理方面的编码容量是量子技术发展亟需解决的问题。轨道角动量作为光子一个独特的自由度,其空间模式分布会形成无限维完备的希尔伯特空间正交解,因此利用光子的轨道角动量进行编码可以极大地提高信息处理的容量,是高维量子信息处理的重要资源。具有二能级系统的量子光源可以等效成点光源,在微纳尺度下对量子光源进行调制产生轨道角动量是拓展片上集成量子光源编码维度的有效方法之一。主要探讨了点光源在微环谐振腔中产生轨道角动量叠加态的特性。首先介绍了角向光栅对微环谐振腔中点光源产生轨道角动量的调制机理;然后研究了微环谐振腔的腔量子电动力学效应对点光源辐射子的辐射速率和收集效率的影响,并对单光子纯度进行了分析;最后研究了点光源产生轨道角动量叠加态的电场分布、相位分布及矢量偏振特性,不仅分析了微环谐振腔中不同位置的点光源对腔模及轨道角动量的影响,还对出射轨道角动量叠加态的纯度进行了详细分析。该研究为集成轨道角动量光量子器件的发展提供了有效的方法,对进一步了解微纳尺度下产生轨道角动量的机理和性质有良好的促进作用。     

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。