论文部分内容阅读
自Allen在1992年指出涡旋光束具有轨道角动量(orbital angular momentum,OAM)以来,人们对涡旋光束在各个领域的应用产生了极大的兴趣。由于涡旋光束所携带的OAM量子数可为任意整数,因此理论上每一种涡旋光束可具有无穷多个OAM特征模。另外,涡旋光束各个OAM特征模之间的正交性有利于进行高速率的数据传输。近年来的研究表明,涡旋光束在大气通信中具有巨大的应用潜力。然而,OAM在大气湍流的影响下可能会发生严重的扩散,并进而在通信中产生严重的串扰。事实上,OAM扩散的产生降低了通信质量,并限制了通信距离。目前已经找到了一些行之有效的方法以改善通信质量,如自适应光学等。总体来说,基于OAM的大气光通信现在仍处于探索阶段。本文主要做了以下几方面的工作:1、研究了一种名叫环形光束(circular beam,CiB)的涡旋光束在大气湍流中的传播特性。研究结果表明当CiB的参数为某些特殊值时,CiB可具有会聚特性并进而使得OAM模在大气湍流中呈现出自动的恢复效应,这意味着OAM扩散可发生逆转。这一发现可提高初始OAM态的检测概率,有利于改善通信质量。2、证实了二维叠加OAM态在大气湍流中可以表现出协同效应。协同效应意味着二维叠加OAM态的检测概率大于它的任一部分所表示的OAM本征态。另外通过分析发现协同效应主要来源于二维叠加OAM态的两个OAM量子数互相变化的概率。当这一概率减小时,协同效应变弱甚至消失。3、讨论了大气湍流中的旋转相关函数,并发现了具有任意波函数的OAM本征态在大气湍流的弱浮动区域中传播时其转变为其他OAM本征态的概率都具有一个固定上限。初始OAM本征态转变为一个特定OAM本征态的概率上限仅取决于初始态的OAM量子数。4、研究了纠缠OAM光子对在大气湍流中的特性。纠缠OAM光子对的制备来源于自发参量下转换的方法。在这一方法中,泵浦光源用OAM模叠加而成。仿真结果表明,当接受态的波函数与泵浦光源的复振幅函数相一致时,检测概率最大。另外对于纠缠情形,二维叠加OAM态的检测概率略大于OAM本征态的检测概率,并且这一差值在较强的湍流中更为明显。