大氣湍流中渦旋光束軌道角動(dòng)量譜的擴(kuò)散及修正的研究.pdf

1、自Allen在1992年指出渦旋光束具有軌道角動(dòng)量（OAM）以來，人們對渦旋光束在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用產(chǎn)生了極大的興趣。由于渦旋光束所攜帶的OAM量子數(shù)可為任意整數(shù)，因此理論上每一種渦旋光束可具有無窮多個(gè)OAM特征模。另外，渦旋光束各個(gè)OAM特征模之間的正交性有利于進(jìn)行高速率的數(shù)據(jù)傳輸。近年來的研究表明，渦旋光束在大氣通信中具有巨大的應(yīng)用潛力。然而，OAM在大氣湍流的影響下可能會發(fā)生嚴(yán)重的擴(kuò)散，并進(jìn)而在通信中產(chǎn)生嚴(yán)重的串?dāng)_。事實(shí)上，OAM擴(kuò)散

2、的產(chǎn)生降低了通信質(zhì)量，并限制了通信距離。目前已經(jīng)找到了一些行之有效的方法以改善通信質(zhì)量，如自適應(yīng)光學(xué)等?？傮w來說，基于OAM的大氣光通信現(xiàn)在仍處于探索階段。
　　本文主要做了以下幾方面的工作：
　　1、研究了一種名叫環(huán)形光束（CiB）的渦旋光束在大氣湍流中的傳播特性。研究結(jié)果表明當(dāng)CiB的參數(shù)為某些特殊值時(shí)，CiB可具有會聚特性并進(jìn)而使得OAM模在大氣湍流中呈現(xiàn)出自動(dòng)的恢復(fù)效應(yīng)，這意味著OAM擴(kuò)散可發(fā)生逆轉(zhuǎn)。這一發(fā)現(xiàn)可提高初

3、始OAM態(tài)的檢測概率，有利于改善通信質(zhì)量。
　　2、證實(shí)了二維疊加OAM態(tài)在大氣湍流中可以表現(xiàn)出協(xié)同效應(yīng)。協(xié)同效應(yīng)意味著二維疊加OAM態(tài)的檢測概率大于它的任一部分所表示的OAM本征態(tài)。另外通過分析發(fā)現(xiàn)協(xié)同效應(yīng)主要來源于二維疊加OAM態(tài)的兩個(gè)OAM量子數(shù)互相變化的概率。當(dāng)這一概率減小時(shí)，協(xié)同效應(yīng)變?nèi)跎踔料А?br>　　3、討論了大氣湍流中的旋轉(zhuǎn)相關(guān)函數(shù)，并發(fā)現(xiàn)了具有任意波函數(shù)的OAM本征態(tài)在大氣湍流的弱浮動(dòng)區(qū)域中傳播時(shí)其轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌?/p>

4、OAM本征態(tài)的概率都具有一個(gè)固定上限。初始OAM本征態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)特定OAM本征態(tài)的概率上限僅取決于初始態(tài)的OAM量子數(shù)。
　　4、研究了糾纏OAM光子對在大氣湍流中的特性。糾纏OAM光子對的制備來源于自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換的方法。在這一方法中，泵浦光源用OAM模疊加而成。仿真結(jié)果表明，當(dāng)接受態(tài)的波函數(shù)與泵浦光源的復(fù)振幅函數(shù)相一致時(shí)，檢測概率最大。另外對于糾纏情形，二維疊加OAM態(tài)的檢測概率略大于OAM本征態(tài)的檢測概率，并且這一差值在較強(qiáng)的