渦旋光場(chǎng)軌道角動(dòng)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?jī)?nèi)容之一，目前在通信鏈路中通過(guò)對(duì)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(dòng)量編碼相對(duì)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(duì)于光軌道角動(dòng)量用于無(wú)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(dòng)量以及光子軌道角動(dòng)量用于無(wú)線光

2、量子通信問(wèn)題開展研究，主要工作如下：
　　 1.通過(guò)分析具有軌道角動(dòng)量的拉蓋爾-高斯(LG)光束以及高階無(wú)衍射光在空間中的傳輸特性，提出利用高階Bessel無(wú)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?dòng)量編碼解碼方法。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(dòng)量的LG光束，通過(guò)渦旋光束軌道角動(dòng)量攜帶信息，并通過(guò)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(wú)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(duì)具軌道角動(dòng)量LG光束的散射。研究了具有軌道角動(dòng)量LG光束的空間傳輸特性，通過(guò)對(duì)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(duì)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(duì)具軌道角動(dòng)量LG光束入射的散射問(wèn)題。通過(guò)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(duì)其散射特性的影響

4、，并與平面波的情況做了對(duì)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(duì)不同波長(zhǎng)LG光束傳輸特性的影響，得到了LG光束近場(chǎng)傳輸中典型含光闌透鏡光學(xué)系統(tǒng)對(duì)光束軌道角動(dòng)量影響的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。分析了LG光束通過(guò)含光闌光學(xué)系統(tǒng)傳輸?shù)慕馕龉?，理論推?dǎo)了空心LG光束在柱坐標(biāo)系下光子軌道角動(dòng)量密度函數(shù)及其態(tài)矢。對(duì)1階LG光束通過(guò)光闌后的光場(chǎng)分布情況進(jìn)行了數(shù)值分析，研究了LG光束通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)后的相位分布及軌道角動(dòng)量密度變化情況。

5、　　 4.針對(duì)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(duì)LG光束光子軌道角動(dòng)量的影響的新方法。LG光束通過(guò)大氣湍流時(shí)會(huì)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(duì)渦旋光束的軌道角動(dòng)量產(chǎn)生影響。分析了大氣湍流對(duì)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(duì)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(dòng)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(wú)衍射高階Bessel光的光子軌道角動(dòng)量態(tài)密碼通信方案。將具有不同軌道角動(dòng)量態(tài)的光量子用于量子信息編碼，將攜帶一定軌道角動(dòng)量的渦旋光場(chǎng)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(duì)兩路光束產(chǎn)生一個(gè)相位差，然后通過(guò)分束鏡用光子探測(cè)器進(jìn)行接收，根據(jù)兩個(gè)光子探測(cè)器對(duì)傳輸光子態(tài)的響應(yīng)情況判斷光子的軌道角動(dòng)量態(tài)實(shí)現(xiàn)解碼。
　　 進(jìn)行了LG