大气湍流中涡旋光束的漂移特性及补偿技术研究

发布时间：2017-04-02 04:14

  本文关键词：大气湍流中涡旋光束的漂移特性及补偿技术研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：自由空间光通信因具有高容量、高速率等优势,近年来受到了学者们广泛的重视和研究。利用涡旋光束作为传递信息的载体在自由空间传输的通信方式潜力巨大。涡旋光束是一种具有独特螺旋相位波前,在涡旋中心光强为零,且携带轨道角动量的奇异光束。传统的编码方式是利用光子偏振态编码,通信容量低下；而利用轨道角动量编码,不仅使传输的信息量增大,并且增加了安全性,这些优良特性使其在自由空间光通信领域有着广泛的应用价值。然而,涡旋光束通过自由空间的传输过程中,由于大气湍流的影响产生光强畸变、光束漂移、光束扩展等效应,造成光束幅度相位失真,破坏信息完整性。 本文针对上述问题着重研究了在大气湍流下涡旋光束的传输特性,分析了涡旋光束拓扑荷对涡旋光束涡旋中心漂移的影响,并采用新颖的自适应光学技术中的波前重构法对涡旋光束的畸变相位进行补偿,提高通信系统性能,具体工作如下： 首先,以拉盖尔高斯光束为研究对象,理论分析在弱大气湍流环境下,拓扑荷为1的涡旋光束的漂移现象,推导出在接收平面涡旋中心坐标(x,y)的概率分布,结果表明涡旋中心坐标位置呈高斯分布；在理论推导的基础上,创新性的结合相位屏法和涡旋中心探测法对涡旋光束的漂移现象进行数值模拟,进一步对拓扑荷数为1、5、10、15的拉盖尔高斯光束的涡旋中心位置分布情况进行仿真分析,模拟结果表明在拓扑荷数为1时,涡旋中心位置分布符合高斯分布,即涡旋中心在接收平面中心的概率最大,与理论推导结果一致,随着拓扑荷数逐渐增大,涡旋中心位置的高斯分布情况越来越不明显,涡旋中心落在接收平面的概率减小,在中心区域以外随机漂移概率增加。结果表明,在弱湍流情况下,涡旋光束的拓扑荷数越高,涡旋中心的漂移现象越严重,即大气湍流对高阶涡旋光束的影响更大。该结论对研究涡旋光束在大气湍流中的传播特性方面有一定意义。 其次,引入自适应光学技术对涡旋光束畸变相位进行补偿。由于涡旋光束主要利用特殊的螺旋相位进行信息传递,并且相位畸变对涡旋光束的影响更大,因此本文对涡旋光束的相位重构进行了探讨。采用自适应光学技术波前重构的迭代算法,利用被大气湍流扰动的涡旋光束的光强信息对相位信息进行恢复,创新性的将GS迭代算法的初始随机相位替换为一阶螺旋相位,在弱湍流环境下,针对涡旋光束的波前补偿效果显著,低阶涡旋光束的相位信息几乎可以完全恢复。该研究成果采用经典方法对涡旋光束畸变相位进行补偿,提高了传输信息的完整性,改善了信噪比,增强了整个涡旋光通信系统的稳定性。
【关键词】：自由空间光通信 涡旋光束 轨道角动量 光束漂移 自适应光学
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN929.1
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-16
• 1.1 研究背景及意义10-12
• 1.2 国内外研究动态12-15
• 1.2.1 自由空间光通信研究动态12-14
• 1.2.2 轨道角动量在无线光通信中应用的研究动态14
• 1.2.3 自适用光学技术研究动态14-15
• 1.3 本文主要研究内容15-16
• 第二章 激光在大气湍流中的传输理论16-34
• 2.1 大气湍流模型16-20
• 2.1.1 大气湍流的形成16
• 2.1.2 大气湍流折射率起伏模型16-17
• 2.1.3 大气折射率结构常数17-18
• 2.1.4 大气湍流功率谱18-20
• 2.2 激光在大气湍流中的传输理论20-26
• 2.2.1 激光在自由空间中的传输20-22
• 2.2.2 激光在弱湍流中的传输22-23
• 2.2.3 Born近似23-25
• 2.2.4 Rytov近似25-26
• 2.3 大气湍流对激光传输的影响26-33
• 2.3.1 强度起伏27-28
• 2.3.2 相位起伏28-30
• 2.3.3 光束扩展30
• 2.3.4 光束漂移30-32
• 2.3.5 到达角起伏32-33
• 2.4 本章小结33-34
• 第三章 大气湍流中涡旋光束的漂移特性研究34-51
• 3.1 涡旋光束基本理论34-39
• 3.1.1 涡旋光束的数学描述34-35
• 3.1.2 涡旋光束的分类35-37
• 3.1.3 涡旋光束的轨道角动量特性37-39
• 3.2 涡旋光束漂移特性理论分析39-43
• 3.3 涡旋光束漂移特性数值模拟43-49
• 3.3.1 大气湍流相位屏43-46
• 3.3.2 涡旋光束漂移模拟结果46-49
• 3.4 本章小结49-51
• 第四章 自适应光学补偿系统51-67
• 4.1 自适应光学系统的原理51-52
• 4.2 自适应光学系统的组成52-54
• 4.2.1 波前传感器52-53
• 4.2.2 波前控制器53-54
• 4.2.3 波前校正器54
• 4.3 波前重构理论54-65
• 4.3.1 信号重构理论55-59
• 4.3.2 由斜率重构波前理论59-63
• 4.3.3 由波前强度重构波前相位理论63-65
• 4.4 涡旋光束波前重构模拟分析65-66
• 4.5 本章小结66-67
• 第五章 总结与展望67-68
• 参考文献68-72
• 致谢72-73
• 攻读学位期间发表的学术论文目录73

【参考文献】

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本文编号：281861