涡旋光束轨道角动量在大气湍流传输下的特性分析

发布时间：2021-07-26 21:08

　　从拉盖尔-高斯涡旋光束表达式出发,基于瑞利衍射理论,通过研究涡旋光束在大气湍流中传输时的旋转相干函数的变化规律,总结了涡旋光束在大气湍流中传输时各轨道角动量之间的串扰情况,使用了拓扑荷数探测概率描述串扰规律,并推导了拓扑荷数探测概率的解析表达式。研究了涡旋光束通过湍流后的拓扑荷数的分布情况,并将结果与涡旋光束通过大气随机相位屏的数值仿真结果进行了对比,给出了理论与仿真的拓扑荷数的探测概率随湍流强度以及初始涡旋光束拓扑荷数大小的关系图对比,验证了推导的拓扑荷数探测概率解析表达式的正确性。通过该表达式可进一步研究大气湍流与涡旋光束相互作用从而影响涡旋光束轨道角动量散射的本质,为涡旋光束的空间光通信中选择合适的拓扑荷数间隔,以及在不同湍流强度下选择合适束腰大小以减少串扰带来的误码率提供了理论依据。 

【文章来源】：光电工程. 2020,47(04)北大核心CSCD

【文章页数】：12 页

【部分图文】：

涡旋光束拓扑荷数为3，大气折射率结构常数Cn2=1×10-14 m-2/3时，涡旋光束在源平面处的光强分布(a)和相位分布(b)；通过大气湍流后接受面上的光强分布(c)和相位分布(d);(e)数值计算的各拓扑荷数的探测概率；(f)采用式(16)计算的各拓扑荷数的理论探测概率

图5画出了当涡旋光束拓扑荷数为9时，大气折射率结构常数nC2分别为1×10-1 4 m-2/3,5×10-1 4 m-2/3,1×10-1 3 m-2/3时仿真及理论计算的各拓扑荷数的平均探测概率。图4 左列表示原始拓扑荷数为3时，不同湍流强度下涡旋光束传输40次后的各拓扑荷数的平均探测概率，右列表示相应拓扑荷数的平均探测概率和理论探测概率的对比。(a～b)大气折射率结构常数为Cn2=1×10-14 m-2/3;(c～d)大气折射率结构常数为Cn2=5×10-14 m-2/3;(e～f)大气折射率结构常数为Cn2=1×10-13 m-2/3。

由于网格点取样有限，这样产生的大气随机相位屏丢失了低频成分，于是采用文献[29]方法补充低频成分后即可得到图1中的湍流屏?n。从源平面开始将相位屏作为附加相位作用于光场，光场再经过一段z′=50 m的自由空间传输到下一个相位屏前的光场。自由空间的传输过程用菲涅尔衍射公式来描述[19]，根据傅里叶变换的性质可知输入场与菲涅尔积分公式exp[ik(x2+y2)/(2z′)]相卷积可得到输出光场，于是可将此卷积过程通过傅里叶变换来实现：最后经过20个相位屏与真空传输得到1 km处接收面处光场E(x,y)，然后将该光场直接代入式(7)计算接收面处各拓扑荷数的探测概率。

【参考文献】：
期刊论文
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[3]部分相干涡旋光束在大气湍流中传输时的光强分布[J]. 柯熙政,王超珍.  激光与光电子学进展. 2016(11)
[4]大气湍流对轨道角动量态复用系统通信性能的影响[J]. 邹丽,赵生妹,王乐.  光子学报. 2014(09)
[5]部分相干贝塞尔高斯光束在非柯尔莫哥诺夫湍流中的传输特性[J]. 江月松,张新岗,王帅会,欧军,唐华.  光子学报. 2014(01)
[6]涡旋光束在中强度湍流大气中的传输特性[J]. 黎芳.  激光与光电子学进展. 2013(07)
[7]高阶贝塞尔高斯光束在非柯尔莫哥诺夫大气中的传输特性[J]. 陈斐楠,陈晶晶,赵琦,陈延如,王勇清,辛煜.  中国激光. 2012(09)
[8]整数与分数阶涡旋光束相位奇点的稳定性分析[J]. 丁攀峰.  华中科技大学学报(自然科学版). 2011(05)
[9]拉盖尔-高斯光束在湍流大气中的螺旋谱特性[J]. 黎芳,唐华,江月松,欧军.  物理学报. 2011(01)
[10]具轨道角动量光束用于光通信编码及解码研究[J]. 吕宏,柯熙政.  光学学报. 2009(02)

硕士论文
[1]随机并行梯度下降波前控制算法研究[D]. 彭浩.国防科学技术大学 2008



本文编号：3304378