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电磁反常涡旋光束在各向异性大气湍流中的偏振特性

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光电子．激光 2021年第3期32卷 287-296页

作者：赵亮杨盛凯许颖杨宁徐勇根西华大学理学院四川成都610039

本文研究了部分相干电磁反常涡旋光束(PCEAVB)通过各向异性non-Kolmogorov大气湍流后的偏振度和偏振态的变化。研究结果表明,PCEAVB的偏振度分布为同心的圆环,而随着光束阶数n和拓扑荷数m的增大,同心圆环数逐渐增加,分布越密集。光束阶... 详细信息

本文研究了部分相干电磁反常涡旋光束(PCEAVB)通过各向异性non-Kolmogorov大气湍流后的偏振度和偏振态的变化。研究结果表明,PCEAVB的偏振度分布为同心的圆环,而随着光束阶数n和拓扑荷数m的增大,同心圆环数逐渐增加,分布越密集。光束阶数n越高、拓扑荷数m越低,高偏振度分布区域越趋于中间区域;反之,则趋于外环分布。PCEAVB的偏振态随着传输距离z的增加由均匀线偏振变成非均匀线偏振,偏振角呈现圆环状分布,且偏振角较大的区域随着传输距离z的增大而逐渐向外环移动。拓扑荷数m越大、光束阶数n越小,PCEAVB的偏振角较大的区域越靠近于中心区域。而且光束阶数n和拓扑荷数m越大的PCEAVB,偏振态受到湍流的影响越小。且各向异性越强的大气湍流对PCEAVB的影响越小,光束演化得越慢。

关键词：部分相干电磁反常涡旋光束各向异性大气湍流偏振度偏振态

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反常涡旋光束在各向异性大气湍流中的漂移

激光技术 2021年第2期45卷 252-258页

作者：杨盛凯王晓艳赵亮徐勇根西华大学理学院成都610039

为了研究部分相干反常涡旋光束在各向异性大气湍流中的漂移特性,基于各向异性非Kolmogorov大气湍流谱模型,利用几何光学近似与Rytov近似解得到了部分相干反常涡旋光束(PCAVB)在各向异性湍流中传输的光束漂移解析式,并对该漂移解析式进... 详细信息

为了研究部分相干反常涡旋光束在各向异性大气湍流中的漂移特性,基于各向异性非Kolmogorov大气湍流谱模型,利用几何光学近似与Rytov近似解得到了部分相干反常涡旋光束(PCAVB)在各向异性湍流中传输的光束漂移解析式,并对该漂移解析式进行数值模拟。研究了拓扑荷、相干长度、各向异性因子、折射率结构常数等光束参量及湍流参量对PCAVB在湍流中的均方根光束漂移与相对光束漂移的影响。结果表明,相干性越好的反常涡旋光束,会使光束在各向异性湍流中的漂移现象变得更严重;随拓扑荷数的增加,可以一定程度降低湍流对光束漂移的影响;湍流随各向异性因子的增大,对部分相干反常涡旋光束的漂移影响明显减弱;广义指数参量在3~3.3范围增长时,对PCAVB均方根漂移与相对漂移影响最大,而在3.3~4之间增长时,对光束均方根漂移与相对漂移影响逐渐减弱。此研究对反常涡旋光束在各向异性大气湍流中的传输提供了一种理论模型参考。

关键词：大气光学反常涡旋光束各向异性大气湍流漂移

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聚焦贝塞尔光束在大气湍流中的螺旋相位谱

光学学报 2020年第24期40卷 1-8页

作者：韦宏艳闫玠霖贾鹏蔡冬梅太原理工大学物理与光电工程学院山西太原030024

涡旋光束在大气中传输时的湍流效应导致其轨道角动量发生串扰,传输质量下降。为了有效减小光波在大气传输中的湍流影响,探索减缓湍流效应的措施,利用螺旋谱分析理论,研究了各向异性非Kolmogorov大气湍流及光束参数对聚焦贝塞尔光束的螺... 详细信息

涡旋光束在大气中传输时的湍流效应导致其轨道角动量发生串扰,传输质量下降。为了有效减小光波在大气传输中的湍流影响,探索减缓湍流效应的措施,利用螺旋谱分析理论,研究了各向异性非Kolmogorov大气湍流及光束参数对聚焦贝塞尔光束的螺旋谱展宽和接收功率的影响。结果表明,光束的波长、拓扑荷数、束腰半径、宽度参数以及湍流的强度、各向异性程度、内外尺度均会对接收功率产生影响。通过多层相位屏模拟法对比研究了聚焦与准直贝塞尔光束的螺旋谱分布情况,分析得出聚焦贝塞尔光束的接收功率更高、串扰功率更低。

关键词：大气光学聚焦贝塞尔光束各向异性大气湍流轨道角动量螺旋谱

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部分相干扭曲涡旋光束在大气湍流中的传输

应用激光 2022年第3期42卷 167-174页

作者：许颖赵亮杨宁徐勇根西华大学理学院四川成都610039

研究各向异性大气湍流中部分相干扭曲涡旋光束(PCTVB)的M^(2)因子,并对其进行了数值模拟。研究结果表明,通过联合调控PCTVB的扭曲因子和涡旋因子,能有效降低湍流对光束传输质量的影响:调控扭曲因子和拓扑荷越大,PCTVB能更加有效地抑制... 详细信息

研究各向异性大气湍流中部分相干扭曲涡旋光束(PCTVB)的M^(2)因子,并对其进行了数值模拟。研究结果表明,通过联合调控PCTVB的扭曲因子和涡旋因子,能有效降低湍流对光束传输质量的影响:调控扭曲因子和拓扑荷越大,PCTVB能更加有效地抑制湍流对光束传输质量的影响;调控扭曲因子和拓扑荷同号,PCTVB的抗湍流能力得到增强。对传统高斯谢尔模光束(GSMB)与PCTVB的M^(2)因子进行了比较,结果表明PCTVB的抗湍流能力明显强于传统GSMB。此外,还发现各向异性因子可以弱化湍流对光束传输质量的影响,且各向异性因子越大,湍流对光束传输质量的影响越小。

关键词：部分相干扭曲涡旋光束 M^(2)因子角扩展各向异性大气湍流

部分相干矢量光束在大气湍流中传输的统计特性及仿真模拟

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部分相干矢量光束在大气湍流中传输的统计特性及仿真模拟

作者：赵亮西华大学

学位级别：硕士

矢量光束是标量光束的拓展;涡旋光束则是一种具有螺旋相位结构且还携带轨道角动量的光束。矢量光束和涡旋光束是现代光学中十分重要的两类光束,被广泛研究并且广泛应用于光学操纵、光学显微、光学存储、量子信息处理等领域。近些年自由... 详细信息

矢量光束是标量光束的拓展;涡旋光束则是一种具有螺旋相位结构且还携带轨道角动量的光束。矢量光束和涡旋光束是现代光学中十分重要的两类光束,被广泛研究并且广泛应用于光学操纵、光学显微、光学存储、量子信息处理等领域。近些年自由空间光通讯快速发展,而大气湍流的存在会带来光强闪烁、相位畸变等一系列的湍流效应,这将导致通信误码率增加,降低系统的信道容量,极大影响通讯效率。研究表明矢量光束和涡旋光束具有较强的抗湍流能力,可以在一定程度上减小湍流的影响,因此它们也被广泛应用于光学通信中。各向异性大气湍流是基于non-Kolmogorov湍流谱进行完善得到的大气湍流模型,它很好的诠释了大气湍流中存在的各向异性的特点。本文将以部分相干矢量高斯-谢尔模光束(PCVGSMB)、部分相干电磁反常涡旋光束(PCEAVB)、部分相干径向偏振拉盖尔-高斯涡旋光束(PCRPLGVB)和部分相干径向偏振涡旋光束(PCRPVB)这四种部分相干矢量光束作为研究对象,基于广义的惠更斯–菲涅尔原理,研究了他们在各向异性大气湍流中的传输特性,包括:M因子、平均光强、相干度、偏振度和偏振态等,并且通过对光束参数的调控来提高光束的抗大气湍流干扰的能力。主要研究内容如下:1.首先介绍了部分相干光束、部分相干矢量光束的研究现状和应用领域,各向异性大气湍流的由来;介绍了各种大气湍流谱模型以及激光在大气湍流中传输理论模型和公式;介绍了利用随机相位屏的方法来模拟激光在大气湍流中传输过程的原理和方法。2.推导了PCVGSMB在各向异性大气湍流中的传输公式,主要研究了不同初始相干长度对其平均光强、相干度、偏振度和偏振态的分布和演化规律。3.以一种特殊的涡旋光束––PCEAVB作为研究对象,研究了其在大气湍流的偏振特性,主要分析了光束阶数和拓扑荷数对该光束偏振度和偏振态分布和演化的影响。4.推导了PCRPLGVB通过大气湍流后的交叉谱密度函数,主要研究了光束的径向指数和拓扑荷数对光束的光强和相干度的影响,并且利用多相位屏方法对研究的理论结果进行模拟仿真研究,理论结果和仿真结果符合较好。5.计算出PCRPVB的在大气湍流中的M因子,并与部分相干电磁涡旋光束做比较研究,最后提出了一种结合双曲线拟合和随机相位屏的方法对两种光束在大气湍流中的M因子进行模拟验证。

关键词：矢量光束涡旋光束随机相位屏 M2因子统计特性各向异性大气湍流

携带轨道角动量的光束在自由空间中传输特性的研究

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携带轨道角动量的光束在自由空间中传输特性的研究

作者：彭娟深圳大学

学位级别：硕士

与传统的自由空间光(Free Space Optical,FSO)通信相比,基于轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)的自由空间光通信可以实现高安全性、高频谱效率、大容量的传输,很大程度上解决了目前频谱资源有限的情况下提升信道容量和频谱效率... 详细信息

与传统的自由空间光(Free Space Optical,FSO)通信相比,基于轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)的自由空间光通信可以实现高安全性、高频谱效率、大容量的传输,很大程度上解决了目前频谱资源有限的情况下提升信道容量和频谱效率的问题。然而在实际传输过程中,大气湍流的存在明显地降低了基于OAM的自由空间光通信系统的性能,比如导致OAM模式间的串扰、系统容量下降、误码等问题。因此,研究大气湍流对携带轨道角动量的光束在自由空间中传输特性的影响,对于提升自由空间光通信系统性能具有重要的参考价值和现实意义。本论文以减轻大气湍流的影响为目标,采用数值模拟方法主要研究了携带OAM的部分相干贝塞尔高斯(Bessel–Gaussian,BG)光束在各向异性非柯尔莫哥洛夫(non-Kolmogorov)大气湍流中的传输特性。因为与目前常用的携带OAM的拉盖尔高斯光束相比,部分相干贝塞尔高斯(Bessel–Gaussian,BG)光束具有非衍射性和自愈特性而且还具有更多可调节的光源参数,可以减轻大气湍流的影响,因此本论文选择部分相干BG光束作为传输光源。另外,采用各向异性非柯尔莫哥洛夫(non-Kolmogorov)大气湍流谱作为湍流模型,因为它考虑了实际大气湍流的各向异性和非柯尔莫哥洛夫特性,更能准确地描述实际的自由空间光通信链路。本论文主要的研究工作如下:(1)基于Rytov近似理论和各向异性非柯尔莫哥洛夫大气湍流模型,得出了部分相干BG光束携带的OAM模式在弱各向异性非柯尔莫哥洛夫大气湍流中传输的检测概率和信道容量的解析表达式。此外,得出了各向异性non-Kolmogorov大气湍流空间相干半径的表达式。(2)在上述理论研究工作的基础之上,数值模拟且详细分析了携带OAM的部分相干BG光束在弱各向异性非柯尔莫哥洛夫大气湍流中的传输特性,主要是定量研究了大气湍流参数和光源参数对OAM模式螺旋谱、检测概率以及信道容量的影响规律。此外,比较了拉盖尔高斯光束与部分相干BG光束在相应大气湍流中传输的检测概率、串扰概率以及信道容量的大小,结果表明:同等传输条件下,部分相干BG光束比LG光具有更大的检测概率,更低的串扰概率以及更大的信道容量,即:部分相干BG光束是更好的携带OAM模式的光源。通过分析数值仿真结果,提出了减轻大气湍流影响的光源参数和大气湍流参数,为基于OAM的自由空间光通信实际链路参数的设计和优化提供方向和参考。

关键词：自由空间光通信轨道角动量部分相干贝塞尔高斯光束各向异性大气湍流

位相畸变涡旋光束的传输及时空耦合特性的影响分析

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位相畸变涡旋光束的传输及时空耦合特性的影响分析

作者：唐善发四川大学

学位级别：硕士

激光在大气中传播时,由于大气湍流的影响,其波前会发生畸变。这种畸变破坏了激光的准直度和光束质量。由于存在轨道角动量,涡旋光束比其他常见类型的激光具有更好的抗波前畸变能力,因此在激光空间光通信研究和应用中受到了重点关注。目... 详细信息

激光在大气中传播时,由于大气湍流的影响,其波前会发生畸变。这种畸变破坏了激光的准直度和光束质量。由于存在轨道角动量,涡旋光束比其他常见类型的激光具有更好的抗波前畸变能力,因此在激光空间光通信研究和应用中受到了重点关注。目前针对大气湍流的构建主要是基于各向同性的Kolmogorov模型,在此基础上再构建涡旋光束在大气湍流中的传输特性分析方案。大量实验数据表明,在自由大气层中稳定的层状平流层内,大气是各向异性的,湍流功率谱指数随海拔高度变化取不同值,此时Kolmogorov湍流模型不再适用。而针对这种广泛存在的各项异性湍流,在其中传输的涡旋光束特性如何则少有研究报道,因此,有必要建立一个有效的涡旋光束在各向异性大气湍流中的传输特性分析模型,并对这种类型湍流造成的光束质量变化规律进行研究。另外,目前广泛应用的短脉冲激光在传输中会发生明显的时空耦合效应,脉冲涡旋光束的时空耦合特性也是目前研究的一个热点。不过对于超短脉冲的时空耦合特性的研究,一般都只考虑理想条件。实际上,传输中激光的波前结构总是偏离理想情况的。除了大气湍流会造成位相畸变外,由于工艺的限制,在光学元件的设计和制造过程也会造成一定的波前变化。对这种存在波前畸变的超短脉冲的时空耦合特性的研究还很少,因此需要建立一个更符合实际光束情况的分析模型。根据相关研究存在的不足,本论文主要工作包括以下几个方面:首先,对涡旋光束在光通信和光学微操控领域的应用进行了简单回顾。通过调研国内外研究进展,了解了涡旋光束的发展趋势及目前遇到的问题,确定了本论文的研究方向和内容。接着介绍了涡旋光束的基本特点和产生方法以及大气湍流产生的原因。并从大气湍流产生的原因出发,对不同的湍流模型进行了分析和比较。在此基础上,对涡旋光束在大气湍流中的传输模型进行了详细讨论。为具体计算湍流对涡旋光束位相的调制作用,介绍了一种生成随机相位屏的方式:谱反演法。结合涡旋光束的光场分布特征,提出一种新的适用于涡旋光束特性的评价方式:改进的MRSS。其次,根据各向异性大气湍流模型,推导了涡旋光束在这类湍流中传输的分析计算公式,利用该公式具体计算了不同湍流参数影响下涡旋光束传输特性变化规律。比较了拓扑荷数不同时,各向异性湍流对基模高斯涡旋光束的光束质量的影响,且通过实验验证了拓扑荷数在涡旋光束抗畸变能力中起到的作用。最后,根据Collins衍射积分推导了畸变波前超短脉冲涡旋光束的传输表达式,并具体计算了不同参数对时空耦合特性的影响。结合光束位相畸变的构建模型,比较了光束波前产生畸变前后时空耦合的变化情况。通过对基模高斯涡旋光束在各向异性大气湍流中的传输特性的研究,为大气光通信系统中进一步消除湍流对涡旋光束的影响,提升模式纯度提供了理论参考。针对畸变波前超短脉冲涡旋光束的时空耦合效应的研究,给出了更符合实际应用条件的短脉冲传输特性分析模型,为实际脉冲涡旋激光的传输应用提供了数据支撑。

关键词：涡旋光束位相畸变各向异性大气湍流超短脉冲时空耦合