大气湍流中部分相干涡旋光束的传输及衍射特性研究
发布时间：2021-09-22 10:48
轨道角动量（Orbital Angular Momentum,OAM）复用为自由空间光通信提供了新的复用形式,可提高通信系统的信道容量。在OAM复用通信系统中,探索涡旋光束在大气湍流中的传输机理成为OAM复用通信系统的关键科学问题之一。本文针对大气湍流中部分相干涡旋光束传输后的光强、偏振及其经光阑等光学系统的衍射特性展开了研究,主要创新工作如下:（1）在涡旋光束中引入了部分相干的概念,建立了部分相干涡旋光源模型:拉盖尔-高斯谢尔涡旋光束,探讨了其远场平面上相位奇点与拓扑荷数之间的联系,并分析了 Non-Kolmogorov 湍流对拉盖尔-高斯涡旋光束的光强分布和光束扩展的影响。研究发现拉盖尔-高斯谢尔涡旋光束在远场平面上相位奇点的个数等于拓扑荷数的大小,这为其拓扑荷数的检测提供了一种有效途径。（2）建立了径向部分相干涡旋光束阵列的数学模型,并利用广义Huygens-Fresnel原理分析了径向部分相干涡旋光束阵列在Non-Kolmogorov湍流中传输后的光强演化规律,讨论了光源参数和Non-Kolmogorov湍流参数对其传输特性的影响。其光强分布的演化过程为由阵列光束首先转换为环形...
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：144 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１－１四路ＯＡＭ复用通信系统模型??Ｆｉｇ．?１－１?Ｆｏｕｒ?ＯＡＭ?ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ?ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ?ｓｙｓｔｅｍ?ｍｏｄｅｌ??
形式建立理论模型。通常情况下，激光谐振腔发出的基模光场，??其横截面的振幅分布近似满足高斯函数，故称高斯光束。因其中心光强最强，能量比较集??中，则高斯光束是各类形式的光束中一种方便且被广泛应用的光束。??１９６６年，Ｋｏｇｅｌｎｉｋ和Ｌｉ［２］给出了波动方程的傍轴基模近似解一高斯光束、在直角坐??标系下的高阶近似解一厄米－高斯（Ｈｅｒｍｉｔｅ－Ｇａｕｓｓｉａｎ，?ＨＧ）光束以及在柱坐标系下的高阶近??似解一拉盖尔－高斯（Ｌａｇｕｅｒｒｅ－Ｇａｕｓｓｉａｎ，?ＬＧ）光束，各阶模式分布如图１－２所示。无论是ＨＧ??光束还是高阶ＬＧ光束，ＴＥＭｏｏ模式都为高斯光束。１９７５年，Ｌａｘ等人Ｗ从Ｍａｘｗｅｌｌ方程??出发，采用微扰级数法，即将场用束腰半径和衍射长度之比的无量纲参数进行级数展开，??得到了满足Ｍａｘｗｅｌｌ方程传统傍轴近似的零阶表达式，同时也获得了?Ｍａｘｗｅｌｌ方程的一??阶、二阶以及三阶近似解，也就是说传统傍轴近似理论忽略了高阶修正项。１９７９年，Ｄａｖｉｓ［４］??使用电磁场的失量势理论，假设电场的矢量势为线偏振，其非零分量服从标量波动方程，??所得结果与Ｌａｘ等人的结论是一致的［３］，但相比于Ｌａｘ等人必须求解矢量波动方程的方??法，Ｄａｖｉｓ提出的方法更为简单。同年，Ａｇｒａｗａｌ［５］利用角谱表示法［６］获得了高斯光束的准??确解，给出了源平面上场的分布，其所得结果为级数形式，数值结果发现零阶满足傍轴波??动方程，且一阶满足Ｌａｘ等人所给出的微分方程。１９８９年，Ｂａｒｔｏｎ和Ａｌｅｘａｎｄｅｒ［７］给出了??描述电磁场分量的五阶修正表达式，即为单色髙斯光束（会聚的ＴＥＭｏｏ模式）。相比于常规??零阶近似，
常数，选择合适常数可使得（２－１４）式得到归一化。户和／分别为高阶ＬＧ光束??的径向指数和方位指数（也称为拓扑荷数），当户＝／＝〇时，（２－１４）式可退化为基模高斯光束。??结合（２－１４）式可得，ＬＧ光束在ｚ＝０处圆柱坐标系（ｒ，０，〇）下的光场表达式为：??（ＪｌＡ?（ｉｒ１＾?（?ｒＡ??？〇＊，沒，０）＝???４?￣?ｅｘＰ?￣７?ｅｘｐ（－／／＾）?（２－１５）??＼ｗ〇Ｊ?＼ｗ〇?Ｊ?Ｖ?ｗ〇?Ｊ??利用（２－１５）式和（２－１４）式模拟高阶ＬＧ光束的强度和相位分布，如图２－１和图２－２所示。??０８??ｆ?ｆ?Ａ?ｆ?ｆ?〇＾ＩＩｌ（＾）ｉｌ??０．４?＇?｜０．４?＇?０．４??０．２０Ｕ５＾＾Ｈ＾＾｜?ｎ．２〇－〇５＾＾＾＾＾Ｈ＜）．２Ｕ－〇５＾＾｜＾＾｜?０．２??°－０．１?－０．０５?０?０．０５?０．１?０?°－０．１?－０．０５?０?０．０５?０．１?°?°－０．１?－０．０５?０?０．０５?０．１?°?°－０．１?－０．０５?０?０．０５?０．１?°??ｘ／ｍ?ｘ／ｍ?ｘ／ｍ?ｘ／ｍ??－０．１?ｌ２？［?－Ｏ．ｌ＾ＢＫ?＾＾＾＾－｜２兀－０」?－＾＾Ｈｎ２？ｃ?－Ｏ．ｌｉ?＾?１?￣２ｎ??＾?（ｄ２）??－０．０５＾＾＾＾?－０．０５－?－０．０５－??ｉ?１１?ｊ－??°－０５＾＾ｒ?Ｉ?Ｉ??％．ｌ?－０．０５?０?０．０５?Ｏ１！?°?°?ｎＫ＾ｒ－Ｏ＾！０??ｘ／ｍ?ｘ／ｍ?ｘ／ｍ?ｘ／ｍ??图２－１不同径向指数／？和拓扑荷数／的髙阶ＬＧ光束在ｚ＝０处横截面上的强度分布（ａｌＨｄｌ）和相位分??布（３２）？（
【参考文献】：
期刊论文
[1]高阶径向拉盖尔-高斯光束叠加态的实验研究[J]. 柯熙政,石欣雨. 红外与激光工程. 2018(12)
[2]同心矢量完美涡旋模式的特性[J]. 胡俊涛,马海祥,李新忠,唐苗苗,李贺贺,台玉萍,王静鸽. 光学学报. 2019(01)
[3]涡旋光束轨道角动量检测及其性能改善[J]. 柯熙政,谢炎辰,张颖. 光学学报. 2019(01)
[4]径向偏振高阶贝塞尔-高斯涡旋光束的传输及其偏振特性[J]. 刘永欣,张凯宁,蒲继雄. 光子学报. 2018(07)
[5]汉克-贝塞尔光束在海洋湍流信道中的螺旋相位谱分析[J]. 尹霄丽,郭翊麟,闫浩,崔小舟,常欢,田清华,吴国华,张琦,刘博,忻向军. 物理学报. 2018(11)
[6]利用衍射光栅探测涡旋光束轨道角动量态的研究进展[J]. 付时尧,高春清. 物理学报. 2018(03)
[7]空间光调制器产生拉盖尔-高斯光束方法研究[J]. 汪慧超,胡阿健,陈培锋. 激光技术. 2017(03)
[8]Experimental determination of the azimuthal and radial mode orders of a partially coherent LGpl beam（Invited Paper）[J]. 刘显龙,吴腾飞,刘琳,赵承良,蔡阳健. Chinese Optics Letters. 2017(03)
[9]大气湍流中贝塞尔-高斯涡旋光束传播性能分析[J]. 牛化恒,韩一平. 激光技术. 2017(03)
[10]近场拉盖尔-高斯光束传输参数的双缝干涉测量实验[J]. 吕宏,杜玉军. 应用光学. 2017(01)
博士论文
[1]斜程湍流大气中部分相干波束的传输特性[D]. 李亚清.西安电子科技大学 2014
[2]标量和矢量部分相干光束的理论及实验研究[D]. 朱时军.苏州大学 2014
[3]随机电磁光束时空域传输特性的一些研究[D]. 姚旻.浙江大学 2013
硕士论文
[1]OAM光的产生与控制关键技术研究[D]. 胥俊宇.西安理工大学 2017
[2]涡旋光束的拓扑数检测方法研究及转换设计[D]. 何贤飞.广东工业大学 2015
[3]不同拓扑荷数的涡旋光束衍射特性研究[D]. 宋晓芳.山东师范大学 2015
本文编号：3403633
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：144 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１－１四路ＯＡＭ复用通信系统模型??Ｆｉｇ．?１－１?Ｆｏｕｒ?ＯＡＭ?ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ?ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ?ｓｙｓｔｅｍ?ｍｏｄｅｌ??
形式建立理论模型。通常情况下，激光谐振腔发出的基模光场，??其横截面的振幅分布近似满足高斯函数，故称高斯光束。因其中心光强最强，能量比较集??中，则高斯光束是各类形式的光束中一种方便且被广泛应用的光束。??１９６６年，Ｋｏｇｅｌｎｉｋ和Ｌｉ［２］给出了波动方程的傍轴基模近似解一高斯光束、在直角坐??标系下的高阶近似解一厄米－高斯（Ｈｅｒｍｉｔｅ－Ｇａｕｓｓｉａｎ，?ＨＧ）光束以及在柱坐标系下的高阶近??似解一拉盖尔－高斯（Ｌａｇｕｅｒｒｅ－Ｇａｕｓｓｉａｎ，?ＬＧ）光束，各阶模式分布如图１－２所示。无论是ＨＧ??光束还是高阶ＬＧ光束，ＴＥＭｏｏ模式都为高斯光束。１９７５年，Ｌａｘ等人Ｗ从Ｍａｘｗｅｌｌ方程??出发，采用微扰级数法，即将场用束腰半径和衍射长度之比的无量纲参数进行级数展开，??得到了满足Ｍａｘｗｅｌｌ方程传统傍轴近似的零阶表达式，同时也获得了?Ｍａｘｗｅｌｌ方程的一??阶、二阶以及三阶近似解，也就是说传统傍轴近似理论忽略了高阶修正项。１９７９年，Ｄａｖｉｓ［４］??使用电磁场的失量势理论，假设电场的矢量势为线偏振，其非零分量服从标量波动方程，??所得结果与Ｌａｘ等人的结论是一致的［３］，但相比于Ｌａｘ等人必须求解矢量波动方程的方??法，Ｄａｖｉｓ提出的方法更为简单。同年，Ａｇｒａｗａｌ［５］利用角谱表示法［６］获得了高斯光束的准??确解，给出了源平面上场的分布，其所得结果为级数形式，数值结果发现零阶满足傍轴波??动方程，且一阶满足Ｌａｘ等人所给出的微分方程。１９８９年，Ｂａｒｔｏｎ和Ａｌｅｘａｎｄｅｒ［７］给出了??描述电磁场分量的五阶修正表达式，即为单色髙斯光束（会聚的ＴＥＭｏｏ模式）。相比于常规??零阶近似，
常数，选择合适常数可使得（２－１４）式得到归一化。户和／分别为高阶ＬＧ光束??的径向指数和方位指数（也称为拓扑荷数），当户＝／＝〇时，（２－１４）式可退化为基模高斯光束。??结合（２－１４）式可得，ＬＧ光束在ｚ＝０处圆柱坐标系（ｒ，０，〇）下的光场表达式为：??（ＪｌＡ?（ｉｒ１＾?（?ｒＡ??？〇＊，沒，０）＝???４?￣?ｅｘＰ?￣７?ｅｘｐ（－／／＾）?（２－１５）??＼ｗ〇Ｊ?＼ｗ〇?Ｊ?Ｖ?ｗ〇?Ｊ??利用（２－１５）式和（２－１４）式模拟高阶ＬＧ光束的强度和相位分布，如图２－１和图２－２所示。??０８??ｆ?ｆ?Ａ?ｆ?ｆ?〇＾ＩＩｌ（＾）ｉｌ??０．４?＇?｜０．４?＇?０．４??０．２０Ｕ５＾＾Ｈ＾＾｜?ｎ．２〇－〇５＾＾＾＾＾Ｈ＜）．２Ｕ－〇５＾＾｜＾＾｜?０．２??°－０．１?－０．０５?０?０．０５?０．１?０?°－０．１?－０．０５?０?０．０５?０．１?°?°－０．１?－０．０５?０?０．０５?０．１?°?°－０．１?－０．０５?０?０．０５?０．１?°??ｘ／ｍ?ｘ／ｍ?ｘ／ｍ?ｘ／ｍ??－０．１?ｌ２？［?－Ｏ．ｌ＾ＢＫ?＾＾＾＾－｜２兀－０」?－＾＾Ｈｎ２？ｃ?－Ｏ．ｌｉ?＾?１?￣２ｎ??＾?（ｄ２）??－０．０５＾＾＾＾?－０．０５－?－０．０５－??ｉ?１１?ｊ－??°－０５＾＾ｒ?Ｉ?Ｉ??％．ｌ?－０．０５?０?０．０５?Ｏ１！?°?°?ｎＫ＾ｒ－Ｏ＾！０??ｘ／ｍ?ｘ／ｍ?ｘ／ｍ?ｘ／ｍ??图２－１不同径向指数／？和拓扑荷数／的髙阶ＬＧ光束在ｚ＝０处横截面上的强度分布（ａｌＨｄｌ）和相位分??布（３２）？（
【参考文献】：
期刊论文
[1]高阶径向拉盖尔-高斯光束叠加态的实验研究[J]. 柯熙政,石欣雨. 红外与激光工程. 2018(12)
[2]同心矢量完美涡旋模式的特性[J]. 胡俊涛,马海祥,李新忠,唐苗苗,李贺贺,台玉萍,王静鸽. 光学学报. 2019(01)
[3]涡旋光束轨道角动量检测及其性能改善[J]. 柯熙政,谢炎辰,张颖. 光学学报. 2019(01)
[4]径向偏振高阶贝塞尔-高斯涡旋光束的传输及其偏振特性[J]. 刘永欣,张凯宁,蒲继雄. 光子学报. 2018(07)
[5]汉克-贝塞尔光束在海洋湍流信道中的螺旋相位谱分析[J]. 尹霄丽,郭翊麟,闫浩,崔小舟,常欢,田清华,吴国华,张琦,刘博,忻向军. 物理学报. 2018(11)
[6]利用衍射光栅探测涡旋光束轨道角动量态的研究进展[J]. 付时尧,高春清. 物理学报. 2018(03)
[7]空间光调制器产生拉盖尔-高斯光束方法研究[J]. 汪慧超,胡阿健,陈培锋. 激光技术. 2017(03)
[8]Experimental determination of the azimuthal and radial mode orders of a partially coherent LGpl beam（Invited Paper）[J]. 刘显龙,吴腾飞,刘琳,赵承良,蔡阳健. Chinese Optics Letters. 2017(03)
[9]大气湍流中贝塞尔-高斯涡旋光束传播性能分析[J]. 牛化恒,韩一平. 激光技术. 2017(03)
[10]近场拉盖尔-高斯光束传输参数的双缝干涉测量实验[J]. 吕宏,杜玉军. 应用光学. 2017(01)
博士论文
[1]斜程湍流大气中部分相干波束的传输特性[D]. 李亚清.西安电子科技大学 2014
[2]标量和矢量部分相干光束的理论及实验研究[D]. 朱时军.苏州大学 2014
[3]随机电磁光束时空域传输特性的一些研究[D]. 姚旻.浙江大学 2013
硕士论文
[1]OAM光的产生与控制关键技术研究[D]. 胥俊宇.西安理工大学 2017
[2]涡旋光束的拓扑数检测方法研究及转换设计[D]. 何贤飞.广东工业大学 2015
[3]不同拓扑荷数的涡旋光束衍射特性研究[D]. 宋晓芳.山东师范大学 2015
本文编号：3403633
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