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涡旋光束(Vortex Beams)是指光束具有螺旋型的波前,并且光束的中心处的光强分布为零,这一特性也被称为相位奇点。涡旋光束具有轨道角动量(Orbital Angular Momentum,简记为OAM),利用轨道角动量可以对信息进行编码,基于这一特性可将其应用于自由空间的光学通信系统。轨道角动量的复用是一种特殊的空分复用。由于具有不同拓扑电荷数的OAM模式在空间中具有正交性,且理论上其拓扑荷可取无穷个,在通信系统中利用OAM光束作为信息载体的研究逐步引起广泛关注。目前国内外学者对于涡旋光束的研究逐渐深入,近年来,涡旋光束已经在诸多领域发挥着相当重要的作用,例如微粒子的囚禁、捕捉与旋转,生物医学以及自由空间中的光学传输系统。本文围绕着涡旋光束的传输特性进行了建模以及仿真研究,主要内容包括如下几个方面。(1)简述了涡旋光束的概念,重点介绍了国内外对于涡旋光束的研究历史,以及研究现状,对于涡旋光束的应用以及存在潜在价值的领域前景作了展望。(2)介绍了研究涡旋光束的理论方法,通过对比研究了整数阶以及分数阶单涡旋光束的传输特性,并分别模拟出其光强分布。通过仿真显示整数阶涡旋光束在传输过程中能够保持稳定性。(3)在单涡旋光束的基础上,对多涡旋光束进行建模仿真,推导出多涡旋光束的光强分布以及传输演变特性。(4)重点研究两束单涡旋光束共轴叠加形成双涡旋光束,通过研究双涡旋光束在传输一段距离后的光强分布,利用理论推导出双涡旋光束的光强分布随传输距离的关系,通过MATLAB模拟仿真来研究不同拓扑荷值的双涡旋光束的光斑特性。固定外环拓扑荷数,不断增大内环拓扑荷数,研究双涡旋光束中两束涡旋光束的光强分布图的变化。经研究发现,随着传输距离的增大,整数阶双涡旋光束的光强分布依然能够维持圆对称分布,相位奇点能够完整保留,仅仅存在着光斑的扩束现象,且叠加后的两束涡旋光束在传输过程中仍然保持着相互独立传输。