基于轨道角动量复用的空间光通信关键技术研究

发布时间：2025-02-08 12:00

　　光学涡旋(OV),也称为涡旋光束,是一种具有螺旋相位波前的特殊光场,每个光子均携带确定大小的轨道角动量(OAM),理论上具有无限多的本征态,与光波的波长、时隙、偏振、幅相特性一样,可以利用相互正交的每一阶轨道角动量作为一个独立信道来传输信息,为提高光通信的速率和容量提供了一种全新的复用维度。因此基于涡旋光束的轨道角动量复用技术得到了通信界的高度关注。本文对轨道角动量在自由空间光通信中的一些关键技术问题展开了深入研究,根据液晶空间光调制器(SLM)的特性提出了一种提高涡旋光束能量转换效率的新方法,并基于完美涡旋光束理论,实现了一种新型OAM复用的空间光通信链路,同时深入地研究了该通信链路在大气湍流扰动下的性能。论文的研究内容和创新点主要包括:提出了一种提高OV能量转换效率的新方法。基于SLM生成OV的方法,通过在计算全息图(CGH)中引入数字闪耀叉型光栅技术,有效地改善了涡旋光束的生成质量和转换能效。详细地研究了 SLM性能参数、全息图和OV能量转换效率之间的关系,利用光栅理论,对SLM加载数字闪耀叉型光栅全息图时的衍射场建立了数学模型,定量地分析了衍射光场中+1衍射级OV的衍射角度和转换...

【文章页数】：111 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

图２．２自旋角动量与轨道角动量??根据电动力学理论，光子角动量密度矢量是位置矢量ｒ与动量密度方的??叉乘的结果：??Ｍ?＝?６＇０ｒｘ（ｊＥ，ｘ?Ｂ）

??用Ｌ表示ｆ１Ｑ７］。如图２．２所示，为近轴条件下，光子自旋角动量与轨道角动量的??示意图。１９９２年，Ａｌｌｅｎ首次通过柱透镜的叠加实现不同轨道角动量的光子转换，??并实验测量轨道角动量的传递与转换，证实了拉盖尔高斯光束的确存在轨道角动??量。这一研究为光学涡旋的诸多特性与应....

图２．３光学涡旋主要的径向参数??在近轴条件下，拉盖尔高斯模可以近似为赫姆霍兹方程２．１６的解

（Ｓ／ｊ?＋?ｌ／ｌ?＋?ＵａｒｃｔａｒＫｒ／Ｚ／；）为古伊（Ｇｏｕｙ）相位：注意到这里的／＾是）义拉盖尔多??项式，它是一个递归多项式。??图２．４给出了拓扑荷／为１，径向量子数ｐ不同的拉盖尔高斯涡旋光束光强??的数值模拟结果、实验生成结果以及对应的相位分布。除了周围有旁瓣（后....

图2.5BG涡旋光束的强度及相位分布

｝＿：海大学博士学位论文???２．１．２贝塞尔高斯（Ｂｅｓｓｅｌ－Ｇａｕｓｓｉａｎ，ＢＧ）祸旋光束??零阶贝塞尔光束因其具有无衍射和可重建特性引起了众多科研究者的兴趣??在传播的过程中，贝塞尔光束的光场强度分布不变，遇到障碍物后可以??恢复原有光场分布，因此在自由空间传播时具有一....

图２．６?／＝１的艾里高斯涡旋光束强度数值模拟结果及其相位分布??

ｅ，?ｚ）：＝０?＝?Ｅ０Ｊ，（Ｋｒ，ｒ）ｅｘｐ（ｉ／６＞）ｅｘｐ（－ｒ２?／?ｃｏ０２）?（２．２３）??图２．５展示了对ＢＧ涡旋光束的数值仿真结果、实验生成结果以及对应的相??位分布。可见ＢＧ涡旋光束光强呈同心圆分布，这是由修正贝塞尔函数震荡的无??限拖尾形成的。相邻光环之间....

本文编号：4031492