多路轨道角动量乘除在自由空间光通信中的应用研究.pdf

山东师范大学硕士学位论文

目录

摘要I

AbstractIII

第1章绪论5

1.1研究背景和意义5

1.2国内外研究现状7

1.2.1国外研究现状7

1.2.2国内研究现状8

1.3本文的主要研究内容9

第2章基本理论10

2.1轨道角动量产生理论10

2.1.1腔内产生法10

2.1.2腔外产生法13

2.2达曼光栅理论16

2.2.1达曼光栅16

2.2.2达曼涡旋光栅17

2.3轨道角动量乘除原理18

2.3.1几何坐标变换18

2.3.2互补圆环扇形变换原理21

2.3.3对数螺旋坐标变换原理22

2.3.4费马螺旋坐标变换原理25

第3章基于涡旋光束阵列的轨道角动量的乘除29

3.1达曼涡旋阵列在实验中的产生29

3.2轨道角动量乘除实验光路设计31

3.3一维和二维轨道角动量乘除实验结果32

3.3.1一维轨道角动量乘除实验结果32

山东师范大学硕士学位论文

3.3.2二维轨道角动量乘除实验结果34

第4章轨道角动量乘除在自由空间光通信中的应用36

4.1初始图像四进制编码36

4.2轨道角动量乘除应用于图像传输38

第5章总结与展望43

5.1总结43

5.2展望44

参考文献45

致谢54

攻读硕士学位期间发表的学术论著55

山东师范大学硕士学位论文

摘要

涡旋光束是携带光学涡旋，具有轨道角动量（OrbitalAngularMomentum，OAM）的

光束，轨道角动量具有无限维度，且不同的OAM之间相互正交，因此被广泛用于自由空

间光通信系统中的复用传输。利用涡旋光束的轨道角动量状态的自由度进行多路复用/解复

用来提高光通信的能力。通过对OAM状态的解调，可以实现路由功能，可用于高维量子

信息编码和模分复用光通信。基于单一涡旋光束轨道角动量的乘法和除法，我们提出并演

示了基于达曼涡旋光栅可以同时倍增和倍除的二维涡旋光束阵列的方法。将不同衍射级下

的OAM状态通过对应的乘法或除法相位图，用校正相位掩模进行相位校正。根据相反相

位对OAM状态的拓扑电荷值进行检验，将所需的OAM状态转换为光点。并通过仿真和

实验证明了所选择的多位方形涡旋光束阵列可以进行任意调制，我们的研究结果可以用于

自由空间光学（FSO）通信。

主要工作内容如下：

研究涡旋光束的产生及涡旋光束阵列的产生。涡旋光束的产生分为腔内法和腔外法，

详细介绍了各类产生方法。研究了基于达曼光栅的达曼涡旋光栅，通过模拟和实验产生一

维和二维涡旋光束阵列。

轨道角动量乘除技术。介绍了轨道角动量乘除的原理和作用。详细介绍了基于轨道角

动量乘除对一维和二维涡旋光束阵列的乘除，设计了实验光路图，通过一种改进的空间光

调制器分屏的实验方法实现对一维和二维涡旋光束阵列的同时倍乘和倍除，并对产生的新

的涡旋光束阵列进行检验。

轨道角动量乘除在自由空间光通信中的应用。基于RGB三原色通过Matlab对传输图

片的颜色进行四进制编码，通过1x4涡旋光束阵列进行信息传输，对涡旋光束阵列进行加

减乘除四则运算获得新的涡旋光束阵列，对产生的新的涡旋光束阵列所携带的信息进行重

新计算得到新的图片的颜色。

研究结果表明，我们基于费马螺旋的坐标几何变换产生对涡旋光束的轨道角动量进行

乘除处理的相位图，轨道角动量乘除可以对不同维度的涡旋光束阵列进行同时乘除处理，

调制后的涡旋光束根据其拓扑电荷在不同的位置分别转换为高斯光