涡旋光束在大气湍流中传播的仿真实验研究

发布时间：2020-03-31 07:17

【摘要】：具有螺旋形波前的涡旋光束以其本身所具有的奇异特性及其携带轨道角动量的特点使得它在信息传递、生物医学、光学微操控等领域得到了广泛应用,由其是在光通信领域,其潜在的研究价值引起了学术界的高度关注。而研究涡旋光束在大气湍流中的传输特性是目前的前沿热点。大气湍流引起的光束漂移、闪烁、偏振等对自由空间光通信、自适应光学等都有较大影响。针对这些问题,本文基于柯尔莫哥洛夫湍流理论生成了大气湍流相位屏,探究了仿真实验的两种方法,并基于空间光调制器设计出仿真实验光路,对涡旋光束在大气湍流中的传输过程进行了模拟。以高斯涡旋光束、拉盖尔高斯光束为研究对象,研究了湍流强度和传输距离对光束在大气湍流中传输特性的影响。实验结果表明:湍流强度对涡旋光束传输过程中的光强起伏、光束漂移都有明显影响。湍流强度越大,光强起伏和光束漂移越剧烈;传输距离也对涡旋光束的光强起伏和光束漂移有影响,随着传播距离的增加,光强起伏和光束漂移量也增加;大气湍流会影响涡旋光束的偏振态分布,在不同湍流环境中产生不同的偏振分布。研究还发现:具有的拓扑荷数目对涡旋光束在湍流中传输也有影响,其拓扑荷越多,传输性能越稳定。本文通过实验,验证了部分光束湍流效应的理论分析结果,对于探索涡旋光束湍流效应在自由空间光通信、精确制导、激光雷达等领域的应用具有重要意义。
【图文】：

拓扑图,拓扑,涡旋,光束

图２．１涡旋光束相位二维图（ａ）拓扑荷为１邋（ｂ）拓扑荷为２邋（ｃ）拓扑荷为３邋（ｄ）拓扑荷为４邋（ｅ）拓扑荷为５逡逑（ｆ）拓扑荷为６逡逑由图２．１可以看出，涡旋光束的相位结构会随着拓扑荷数的变化而发生改变，但是逡逑无论拓扑荷数量增加还是减少，涡旋光束的相位结构始终是螺旋状。此外我们从图２．１逡逑中不难看出，当涡旋光束拓扑荷为１时，涡旋光束绕光轴均匀旋转一周，涡旋光束的螺逡逑旋相位均匀改变２；ｒ；当涡旋光束拓扑荷为２时，涡旋光束绕光轴均匀旋转一周，涡旋逡逑光束的螺旋相位均匀改变４ｔｔ；当拓扑荷增加时，涡旋光束螺旋相位均匀变化的规律依逡逑５逡逑

干涉图,涡旋,光束,拓扑

量来测算出涡旋光束拓扑荷的数量。逡逑■■逡逑图２．２平面波与涡旋光束干涉图（ａ）拓扑荷为１的涡旋光束干涉（ｂ）拓扑荷为２的涡旋光束干涉逡逑如图２．２所示，是用计算机程序模拟出的平面波与涡旋光束千涉图，我们可以清晰逡逑的看到干涉条纹的分叉现象，且分叉的数目等于待测涡旋光拓扑荷的数目。逡逑２．６常见的涡旋光束逡逑２．６．１环形涡旋光束逡逑高斯光束在光学研究中应用十分广泛，环形涡旋光束就是在高斯光束的基础上生成逡逑的光束，表达式为：逡逑／邋＼｜＾｜邋（邋２、逡逑Ｅ［ｒ，６）－Ａ邋—邋ｅｘｐ邋—ｅｘｐ（ｉｊ３）ｅｘｐ（＾－ｉｌ（ｐ）逦（２．１４）逡逑式（２．１４）中，Ｊ表示光束的振幅大小，／表示拓扑荷数量，Ｗ表示涡旋光束的束腰半径，，逡逑从式（２．１４）中的ｅｘｐ（－／／＜ｄ项可以看出该光束带有涡旋相位，即光束在传播的过程中带有逡逑７逡逑
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O436

【参考文献】