OAM光束在空間湍流中的傳播特性研究.pdf

1、把光束作為信息的載體在自由空間中傳播來(lái)進(jìn)行通信是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。然而，光束在自由空間中傳播時(shí)非常容易受到大氣湍流的影響，從而出現(xiàn)光強(qiáng)閃爍、光束展寬、相位畸變等一系列現(xiàn)象，進(jìn)而影響通信系統(tǒng)的質(zhì)量。因此，研究光束在自由空間中的傳播的特性對(duì)提高通信系統(tǒng)的有效性和可靠性具有重要的意義。
　　渦旋光束因具有螺旋向前的波陣面而攜帶有軌道角動(dòng)量（OAM），有無(wú)限個(gè)彼此正交的基模模式，光束中部光強(qiáng)是零。在相同條件下，其抗湍流的能力比普通光束強(qiáng)，作

2、為信息的載體可以獲得更好的通信質(zhì)量。因此，引起了學(xué)者廣泛關(guān)注與研究。近年來(lái)許多科研工作者專注于基于軌道角動(dòng)量的自由空間光通信（FSO）的研究，發(fā)現(xiàn)基于OAM的FSO不僅對(duì)通信系統(tǒng)的光譜效率﹑信道容量有很大的提高，也能夠增強(qiáng)通信的保密性。但是，因?yàn)榇髿馔牧鞯挠绊懯沟迷诮邮斩藢?duì)渦旋光束拓?fù)浜芍档臋z測(cè)變得更加困難?，F(xiàn)在大多數(shù)的研究工作主要針對(duì)基于OAM的FSO光傳輸性能，比如，研究如何減小串?dāng)_﹑降低誤碼率等，而研究空間大氣湍流中渦旋光束傳播特

3、性的系統(tǒng)性工作還較為缺乏。
　　本文把渦旋光束中的代表性光束---拉蓋爾-高斯光束（LG光束）作為研究的對(duì)象，針對(duì)上述問(wèn)題，較系統(tǒng)地研究了LG光束在大氣湍流中傳播時(shí)的特性，分析了傳輸距離、拓?fù)浜芍?、大氣湍流?qiáng)度對(duì)LG光束光強(qiáng)、相位和螺旋譜分布的影響，并提出利用軌道角動(dòng)量復(fù)用傳輸測(cè)量LG光束的拓?fù)浜芍?，及利用波前畸變均方根定量評(píng)估大氣湍流對(duì)LG光束相位的影響，具體工作如下：
　　首先，利用傅里葉變換和分步傳播法推導(dǎo)出菲涅爾衍射

4、積分的角譜形式，對(duì)真空中LG光束復(fù)用傳輸進(jìn)行仿真，分析復(fù)用光束傳輸后的相位分布。發(fā)現(xiàn)：復(fù)用光束相位分布與復(fù)用光束拓?fù)浜芍涤嘘P(guān)，相位中心扇葉個(gè)數(shù)和旋轉(zhuǎn)方向與復(fù)用光束中拓?fù)浜山^對(duì)值較小的光束相同，外圍相位交叉點(diǎn)的個(gè)數(shù)和旋轉(zhuǎn)方向分別與復(fù)用光束拓?fù)浜刹畹慕^對(duì)值、拓?fù)浜山^對(duì)值較大者相同。利用此結(jié)論可以確定LG光束的拓?fù)浜芍?，給測(cè)量LG光束的拓?fù)浜芍堤峁┝艘环N新的方法。
　　其次，將分諧波法和功率譜反演法相結(jié)合，以產(chǎn)生更加準(zhǔn)確的隨機(jī)相位屏，并

5、對(duì)LG光束在大氣湍流中的傳播特性進(jìn)行仿真分析。討論大氣湍流條件下，大氣湍流強(qiáng)度、光束拓?fù)浜芍怠鬏斁嚯x對(duì)LG光束的光強(qiáng)和相位分布以及螺旋譜的影響。結(jié)果表明：傳輸距離越大，相位畸變?cè)絿?yán)重，光束擴(kuò)展和模式彌散嚴(yán)重；拓?fù)浜芍翟酱?，相位畸變和模式彌散程度越大，湍流?duì)光束光強(qiáng)的影響則相反。這一結(jié)論為研究拓?fù)浜芍档倪x取提供了依據(jù)。
　　最后，利用Zernike多項(xiàng)式推導(dǎo)出LG光束波前畸變的均方根(RMS)，并利用波前畸變RMS分析拓?fù)浜珊蛡鬏?/p>