渦旋光場軌道角動量用于空間光量子通信研究.pdf

1、空間光通信由于其高容量、高速率等優(yōu)點(diǎn)引起了人們的廣泛關(guān)注和研究，光學(xué)編碼技術(shù)也成為光通信中相當(dāng)活躍的研究內(nèi)容之一，目前在通信鏈路中通過對光強(qiáng)、頻率或者偏振進(jìn)行高速調(diào)制以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)編碼的研究已有大量報(bào)道。與利用偏振態(tài)編碼相比，利用渦旋光束的軌道角動量編碼相對于傳統(tǒng)的二進(jìn)制編碼能夠有效地提高數(shù)據(jù)傳送密度和速率，對于光軌道角動量用于無線光通信編碼研究仍然還有大量的工作值得我們作進(jìn)一步的研究。本文圍繞光學(xué)渦旋軌道角動量以及光子軌道角動量用于無線光

2、量子通信問題開展研究，主要工作如下：
　　 1.通過分析具有軌道角動量的拉蓋爾-高斯(LG)光束以及高階無衍射光在空間中的傳輸特性，提出利用高階Bessel無衍射光束作為信息載體進(jìn)行空間光信息傳輸?shù)能壍澜莿恿烤幋a解碼方法。以計(jì)算全息圖作為反射式相位調(diào)制的空間光調(diào)制器(SLM)實(shí)現(xiàn)光學(xué)變換，將高斯光束轉(zhuǎn)換為具有不同軌道角動量的LG光束，通過渦旋光束軌道角動量攜帶信息，并通過由錐形透鏡構(gòu)成的模式轉(zhuǎn)換器，將攜帶信息的LG光束轉(zhuǎn)換成為具

3、有相同拓?fù)浜傻母唠ABessel無衍射渦旋光束進(jìn)行通信。
　　 2.在廣義米理論的基礎(chǔ)上，將高斯波束傳輸中的單球粒子散射推廣到微小顆粒對具軌道角動量LG光束的散射。研究了具有軌道角動量LG光束的空間傳輸特性，通過對波束入射時(shí)的散射衰減截面求解得到波束因子，利用矢量球諧函數(shù)對入射高斯波束進(jìn)行展開，研究了單球粒子在在軸條件下對具軌道角動量LG光束入射的散射問題。通過數(shù)值計(jì)算，討論了散射強(qiáng)度及角分布在不同波束寬度情況下對其散射特性的影響

4、，并與平面波的情況做了對比。
　　 3.基于推廣的復(fù)高斯函數(shù)展開法，計(jì)算了遮攔比對不同波長LG光束傳輸特性的影響，得到了LG光束近場傳輸中典型含光闌透鏡光學(xué)系統(tǒng)對光束軌道角動量影響的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。分析了LG光束通過含光闌光學(xué)系統(tǒng)傳輸?shù)慕馕龉剑碚撏茖?dǎo)了空心LG光束在柱坐標(biāo)系下光子軌道角動量密度函數(shù)及其態(tài)矢。對1階LG光束通過光闌后的光場分布情況進(jìn)行了數(shù)值分析，研究了LG光束通過光學(xué)系統(tǒng)后的相位分布及軌道角動量密度變化情況。

5、　　 4.針對典型LG光束受大氣湍流影響所產(chǎn)生的附加相位起伏，結(jié)合量子相位的變化，提出了利用光子態(tài)矢函數(shù)研究大氣湍流對LG光束光子軌道角動量的影響的新方法。LG光束通過大氣湍流時(shí)會受湍流影響產(chǎn)生相位起伏，導(dǎo)致與方位角坐標(biāo)相關(guān)的光量子相位的變化，并對渦旋光束的軌道角動量產(chǎn)生影響。分析了大氣湍流對渦旋光束引入的附加隨機(jī)復(fù)相位，與LG光束自由空間傳輸情況對比，計(jì)算了受不同強(qiáng)度湍流影響后光束經(jīng)典相位的變化情況。
　　 5.利用渦旋光束

6、光子軌道角動量態(tài)作為信息載體實(shí)現(xiàn)光量子通信，提出一種基于無衍射高階Bessel光的光子軌道角動量態(tài)密碼通信方案。將具有不同軌道角動量態(tài)的光量子用于量子信息編碼，將攜帶一定軌道角動量的渦旋光場由分束鏡構(gòu)成的發(fā)射單元分兩路進(jìn)行發(fā)送，接收端利用兩個(gè)成一定角度的達(dá)夫棱鏡將每路光進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，對兩路光束產(chǎn)生一個(gè)相位差，然后通過分束鏡用光子探測器進(jìn)行接收，根據(jù)兩個(gè)光子探測器對傳輸光子態(tài)的響應(yīng)情況判斷光子的軌道角動量態(tài)實(shí)現(xiàn)解碼。
　　 進(jìn)行了LG