渦旋光束的產(chǎn)生、傳輸、檢測(cè)及應(yīng)用

目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 光學(xué)渦旋 1
1.2 軌道角動(dòng)量復(fù)用通信系統(tǒng) 2
1.2.1 背景與意義 2
1.2.2 軌道角動(dòng)量復(fù)用技術(shù)原理 4
1.2.3 軌道角動(dòng)量復(fù)用通信系統(tǒng)模型 4
1.3 渦旋光束的產(chǎn)生 5
1.3.1 空間產(chǎn)生法 5
1.3.2 光纖產(chǎn)生法 7
1.3.3 渦旋光束產(chǎn)生方法的對(duì)比 7
1.4 渦旋光束的傳輸特性 8
1.4.1 大氣湍流效應(yīng) 8
1.4.2 光束傳輸特性研究方法 9
1.4.3 渦旋光束的傳輸特性研究進(jìn)展 10
1.5 相位恢復(fù) 11
1.5.1 傳統(tǒng)自適應(yīng)光學(xué)校正技術(shù) 11
1.5.2 無波前傳感器的自適應(yīng)光學(xué)校正 12
1.5.3 渦旋光束相位畸變校正 13
1.6 渦旋光束的分離與檢測(cè) 14
1.6.1 叉形光柵 14
1.6.2 干涉特性 14
1.6.3 衍射特性 16
1.6.4 重構(gòu)波前 17
參考文獻(xiàn) 18
第2章 渦旋光束的空間產(chǎn)生法 23
2.1 渦旋光束的基本原理 23
2.2 幾種典型的渦旋光束 24
2.2.1 LG光束 25
2.2.2 貝塞爾光束 27
2.2.3 HG光束 27
2.3 常用的空間產(chǎn)生法 28
2.3.1 計(jì)算全息法 28
2.3.2 幾何模式轉(zhuǎn)換法 30
2.3.3 螺旋相位板法 31
2.3.4 空間光調(diào)制器法 33
2.3.5 光波導(dǎo)器件轉(zhuǎn)化法 33
2.4 高階徑向LG光束 34
2.5 分?jǐn)?shù)階渦旋光束的產(chǎn)生 37
2.5.1 全息法制備LG光束的原理 37
2.5.2 分?jǐn)?shù)階LG光束軌道角動(dòng)量的實(shí)驗(yàn)研究 39
參考文獻(xiàn) 42
第3章 渦旋光束的光纖產(chǎn)生法 44
3.1 引言 44
3.2 光纖模式理論 44
3.2.1 波動(dòng)方程 44
3.2.2 光纖中的矢量模式 45
3.2.3 導(dǎo)模截止與遠(yuǎn)離截止 49
3.2.4 弱導(dǎo)近似下的標(biāo)量模 52
3.2.5 利用光纖產(chǎn)生渦旋光原理分析 54
3.3 光纖產(chǎn)生渦旋光的影響因素分析 56
3.3.1 入射波長對(duì)渦旋光產(chǎn)生的影響 56
3.3.2 光纖內(nèi)外折射率差對(duì)渦旋光產(chǎn)生的影響 57
3.3.3 光纖纖芯半徑對(duì)渦旋光產(chǎn)生的影響 59
3.3.4 入射角度對(duì)渦旋光激發(fā)效率的影響 60
3.3.5 離軸入射光纖對(duì)渦旋光產(chǎn)生的影響 62
3.4 利用少模光纖產(chǎn)生渦旋光的實(shí)驗(yàn) 63
3.4.1 利用少模光纖產(chǎn)生渦旋光的原理 63
3.4.2 渦旋光的激發(fā)效率分析 64
3.4.3 實(shí)驗(yàn)研究 65
3.4.4 相位驗(yàn)證 68
3.5 改變光纖結(jié)構(gòu)產(chǎn)生渦旋光 69
3.5.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 69
3.5.2 低折射率層對(duì)OAM模式的影響 71
參考文獻(xiàn) 73
第4章 高階徑向指數(shù)拉蓋爾—高斯光束的疊加特性 75
4.1 引言 75
4.2 徑向指數(shù)和拓?fù)浜蓴?shù)對(duì)高階徑向LG光束疊加態(tài)的影響 75
4.2.1 拓?fù)浜蓴?shù)相同的LG光束干涉疊加 76
4.2.2 徑向指數(shù)相同的LG光束干涉疊加 78
4.2.3 任意徑向指數(shù)、拓?fù)浜蓴?shù)的LG光束干涉疊加 81
4.3 傳輸距離對(duì)高階徑向LG光束疊加態(tài)的影響 82
4.4 束腰半徑對(duì)高階徑向LG光束疊加態(tài)的影響 83
4.5 離軸參數(shù)對(duì)高階徑向LG光束疊加態(tài)的影響 85
4.6 高階徑向LG光束疊加態(tài)的實(shí)驗(yàn) 87
4.6.1 實(shí)驗(yàn)裝置 87
4.6.2 全息圖的產(chǎn)生 87
4.6.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 89
參考文獻(xiàn) 93
第5章 渦旋光束的傳輸特性 94
5.1 引言 94
5.2 LG光束在大氣湍流中的傳輸 94
5.2.1 理論分析 94
5.2.2 LG光束經(jīng)大氣湍流斜程信道時(shí)的傳輸特性 97
5.3 BG光束在空間中的傳輸 104
5.3.1 BG光束在湍流中傳輸理論 104
5.3.2 BG光束經(jīng)大氣湍流信道時(shí)的特性 105
5.4 渦旋光束斜程傳輸時(shí)軌道角動(dòng)量的穩(wěn)定性研究 109
5.4.1 渦旋光束的光強(qiáng)分布對(duì)比 109
5.4.2 渦旋光束的各諧波分量對(duì)比 111
5.5 單模和多模復(fù)用渦旋光束在大氣湍流中的傳輸 116
5.5.1 單模渦旋光束在大氣湍流中的傳輸 116
5.5.2 多模復(fù)用渦旋光束在大氣湍流中的傳輸 118
5.6 渦旋光束的軌道角動(dòng)量 120
5.6.1 軌道角動(dòng)量譜分解 120
5.6.2 拓?fù)浜蓴?shù)擴(kuò)展 121
5.6.3 軌道角動(dòng)量模式純度 123
參考文獻(xiàn) 124
第6章 自適應(yīng)光學(xué)校正技術(shù) 126
6.1 引言 126
6.2 自適應(yīng)光學(xué)基本原理 126
6.2.1 自適應(yīng)光學(xué)校正技術(shù) 126
6.2.2 SH算法 128
6.2.3 相位恢復(fù)算法 129
6.2.4 隨機(jī)并行梯度下降算法 131
6.3 OAM光束通過大氣湍流后的波前校正 133
6.3.1 相位恢復(fù)算法 133
6.3.2 隨機(jī)并行梯度下降算法 136
6.4 實(shí)驗(yàn)研究 138
6.4.1 相位恢復(fù)算法 138
6.4.2 隨機(jī)并行梯度下降算法 140
參考文獻(xiàn) 144
第7章 大氣湍流下軌道角動(dòng)量復(fù)用系統(tǒng)串?dāng)_分析 145
7.1 引言 145
7.2 軌道角動(dòng)量光束在大氣湍流中的傳輸理論 147
7.2.1 多相位屏傳輸法 147
7.2.2 隨機(jī)相位屏的產(chǎn)生 147
7.2.3 大氣湍流下軌道角動(dòng)量復(fù)用光束串?dāng)_的產(chǎn)生 148
7.3 大氣湍流中軌道角動(dòng)量復(fù)用光束光強(qiáng)相位分析 149
7.3.1 軌道角動(dòng)量復(fù)用光束的形成 149
7.3.2 不同傳輸條件下的光強(qiáng)和相位影響 151
7.4 大氣湍流下軌道角動(dòng)量復(fù)用光束螺旋譜特性 152
7.4.1 軌道角動(dòng)量復(fù)用光束螺旋譜理論 153
7.4.2 不同傳輸條件下的螺旋譜分析 153
7.5 大氣湍流下軌道角動(dòng)量復(fù)用光束誤碼率分析 156
7.5.1 軌道角動(dòng)量復(fù)用光束誤碼率理論 156
7.5.2 不同傳輸條件下的誤碼率分析 157
7.6 大氣湍流對(duì)軌道角動(dòng)量復(fù)用光束影響的實(shí)驗(yàn) 158
7.6.1 實(shí)驗(yàn)原理 159
7.6.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 160
參考文獻(xiàn) 161
第8章 渦旋光束疊加態(tài)的特性 163
8.1 引言 163
8.2 光柵法制備渦旋光束疊加態(tài) 164
8.2.1 理論分析 164
8.2.2 光柵疊加 164
8.3 相位法疊加制備雙OAM光 166
8.3.1 理論分析 166
8.3.2 不同拓?fù)浜蓴?shù)的疊加渦旋光束特性分析 168
8.4 渦旋光束疊加干涉實(shí)驗(yàn) 170
8.4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 170
8.4.2 光柵法疊加的實(shí)驗(yàn) 171
8.4.3 光柵法疊加的結(jié)果分析 174
8.4.4 相位法疊加的實(shí)驗(yàn) 174
8.4.5 相位法疊加的結(jié)果與分析 177
參考文獻(xiàn) 178
第9章 渦旋光束的檢測(cè) 179
9.1 引言 179
9.2 利用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法分離檢測(cè)OAM態(tài) 180
9.2.1 理論基礎(chǔ) 180
9.2.2 不同拓?fù)浜蓴?shù)的疊加光場分布 182
9.2.3 基于坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法的OAM復(fù)用系統(tǒng) 183
9.3 利用光柵檢測(cè)渦旋光軌道角動(dòng)量 184
9.3.1 光柵的傳輸函數(shù)及其表示 184
9.3.2 渦旋光光場及其衍射 185
9.3.3 相位校正與fan-out技術(shù) 186
9.3.4 周期漸變光柵 188
9.4 干涉法檢測(cè)渦旋光相位 191
9.4.1 渦旋光自身干涉檢測(cè)法 191
9.4.2 雙縫干涉檢測(cè)法 192
9.5 衍射法檢測(cè)渦旋光相位 194
9.5.1 三角形衍射檢測(cè)法 194
9.5.2 方孔衍射檢測(cè)法 195
9.5.3 單縫衍射檢測(cè)法 196
9.5.4 圓孔衍射檢測(cè)法 198
參考文獻(xiàn) 199
第10章 渦旋光束軌道角動(dòng)量信息編解碼 201
10.1 引言 201
10.2 渦旋光束軌道角動(dòng)量相位信息編碼 202
10.2.1 四臺(tái)階QSS相位信息編碼和解碼原理 202
10.2.2 八臺(tái)階QSS相位信息編碼和解碼原理 207
10.3 混合渦旋光場軌道角動(dòng)量編解碼 211
10.3.1 HzG光軌道角動(dòng)量 211
10.3.2 單光束動(dòng)態(tài)全息圖軌道角動(dòng)量編碼 212
10.3.3 多光束靜態(tài)全息圖軌道角動(dòng)量編解碼 213
10.3.4 改進(jìn)的單渦旋光束軌道角動(dòng)量數(shù)據(jù)編解碼 214
10.4 光軌道角動(dòng)量量子通信編碼 217
參考文獻(xiàn) 220
第11章 渦旋光束經(jīng)馬卡天線的衍射特性 222
11.1 引言 222
11.2 馬卡天線衍射模型 222
11.3 LG光束經(jīng)馬卡天線的衍射特性 224
11.3.1 衍射場分析 225
11.3.2 螺旋譜分析 228
11.4 馬卡天線性能分析 230
參考文獻(xiàn) 231