基于交叉相位调制的光场轨道角动量螺旋谱研究.pdfVIP

目录

摘要I

AbstractII

第一章绪论1

1.1涡旋光束的发展历史和研究现状1

1.2轨道角动量螺旋谱的研究进展2

1.3光场交叉相位调控的研究进展4

1.4本论文的主要研究内容5

1.5本论文的创新点6

第二章基本理论和方法7

2.1涡旋光束基本理论7

2.1.1涡旋光束的定义和基本特性7

2.1.2涡旋光束的几种经典模型9

2.2交叉相位基本理论13

2.3涡旋光束传输基本理论14

2.3.1涡旋光束在自由空间中的传输理论14

2.3.2涡旋光束在湍流大气中的传输理论16

2.4轨道角动量螺旋谱的计算20

2.5本章小结21

第三章轨道角动量梳的产生与调控23

3.1交叉相位调控产生轨道角动量梳的理论研究23

3.2交叉相位调控产生轨道角动量梳的实验研究26

3.2.1实验产生26

3.2.2实验结果与分析29

3.3本章小结32

第四章携带交叉相位的拉盖尔-高斯光束在湍流大气中的螺旋谱传输特性35

4.1携带交叉相位的拉盖尔-高斯光束在各向异性湍流大气中的传输公式35

4.2基于交叉相位的螺旋谱调控39

4.3交叉相位对各向同性湍流中拉盖尔-高斯光束的螺旋谱调控40

4.4交叉相位对各向异性湍流中拉盖尔-高斯光束的螺旋谱调控42

4.5本章小结44

第五章总结与展望45

5.1论文总结45

5.2展望46

参考文献47

致谢59

攻读学位期间发表的学术成果61

摘要

涡旋光束作为一类典型的结构光场，具有螺旋相位并携带轨道角动量（orbitalangular

momentum，简称“OAM”），因此也被称为OAM光束。由于其理论上具有正交无穷特

性，涡旋光束可以作为信息载体用以提升激光通讯、光存储、图像处理和量子信息等领域

的信息容量及安全性。然而，当涡旋光束在大气中传输时，会受到环境扰动影响引发OAM

各模态之间的串扰，造成信息传输性能的下降。交叉相位作为一种特殊的二次相位结构，

因其能实现光束旋转、自整形以及OAM调控而备受关注。但将交叉相位耦合进涡旋光束，

实现OAM螺旋谱多样化调控以及降低光束由于湍流大气引起的负面效应的相关研究还未

开展。本文回顾了涡旋光束和交叉相位调控的研究进展与基本理论，并开展基于交叉相位

调制的光场OAM螺旋谱研究。主要研究内容包括：

提出了一种简单的交叉相位调控方案用于产生OAM梳，即包含一系列具有等间距和

均匀能量占比的OAM分量的结构光模式。与现有方案相比，该方案的实现过程更加方便，

生成的OAM梳具有更高的均匀性。更具体地说，本文证明了交叉相位可以将单个纯OAM

模式转换成具有宽OAM螺旋谱的光束，即，通过调控交叉相位因子可以很容易地在一束

光中产生多个OAM模式。重点分析了交叉相位因子和束腰宽度等参数对产生OAM梳的

影响，并进行了原理性实验验证，实验结果与理论结果吻合良好。研究成果为OAM螺旋

谱操控开辟了新的前景，有望服务于高安全性加密全息和数据信息传输等应用场景。

基于广义惠更斯-菲涅耳积分，推导了拉盖尔-高斯光束在弱至强各向异性湍流大气中

传播的互相干函数的解析表达式，用以研究螺旋谱的演化规律。与以往只考虑接收面湍流

扰动的单相屏传输模型相比，本文采用的计算传播模型充分考虑了传输过程中湍流与OAM

模式之间的相互作用，并重点研究了交叉相位和湍流参数（包括湍流强度和各向异性条件）

对螺旋谱的影响。通过调整交叉相位因子，同样可以在湍流环境中产生OAM梳。此外，

增加交叉相位因子可以减小上述两种计算模型的差异，减弱湍流各向异性条件对螺旋谱的

影响。本文中的研究结果对基于OAM的自由空间光通信有一定的实际参考价值。