【摘要】：自由空間光通信是空間信息網(wǎng)絡(luò)中高速信息傳輸?shù)闹匾侄?正面臨著頻譜利用率低和信道容量不足等問題。理論上,利用渦旋光束作為載體,新增的軌道角動量(orbital angular momentum,OAM)自由度來編碼信息,可解決上述問題。光束角向位置的不確定性也有助于提高通信系統(tǒng)的安全性能。此外,渦旋光束也可用于光學(xué)微操縱等領(lǐng)域,利用其暗中空環(huán)狀結(jié)構(gòu)的光強分布特性,形成光學(xué)勢阱,實現(xiàn)無物理損傷地捕獲、平移亞微米粒子;同時,也可作為光學(xué)扳手,將OAM傳遞給微粒,驅(qū)動其繞光軸旋轉(zhuǎn)。然而,上述的應(yīng)用都依賴于渦旋光束特殊的螺旋相位結(jié)構(gòu)和軌道角動量參數(shù),可用拓?fù)浜蓴?shù)(topological charge,TC)來表示。因此,研究渦旋光束空間分布特性及檢測拓?fù)浜尚畔⑹菧u旋光束在各領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)和關(guān)鍵,具有重要意義。本文以拉蓋爾高斯(Laguerre-Gauss,LG)渦旋光束為例,基于光波的衍射原理,針對單OAM渦旋光束和雙OAM復(fù)合渦旋光束,研究了檢測渦旋光束攜帶拓?fù)浜蓴?shù)的方法;復(fù)合渦旋光束空間分布特征隨子光束復(fù)合參數(shù)取值的變化特性,及其在自由空間傳輸時光束中渦旋分布隨距離的變化規(guī)律。本文的主要工作如下:(1)針對單軌道角動量渦旋光束攜帶拓?fù)浜蓴?shù)信息的檢測問題,提出利用遮擋部分方位角橢圓型光闌的遠(yuǎn)場衍射效應(yīng)新方法。基于夫瑯禾費衍射原理,建立遮擋方位角橢圓型光闌的衍射模型,推導(dǎo)并數(shù)值模擬了LG光束的衍射光強分布與光束攜帶拓?fù)浜蓴?shù)的對應(yīng)關(guān)系。(2)將兩個子LG光束共線疊加,形成一種新的復(fù)合OAM渦旋光束。分析兩子光束的拓?fù)浜蓴?shù)、束腰比及傳輸距離對復(fù)合渦旋光束的強度和相位分布特征的影響。(3)為研究不同參數(shù)下,復(fù)合渦旋光束中相位奇點(渦旋)數(shù)目及分布特征隨傳輸距離的變化規(guī)律。基于渦旋處光強度為零特性,推導(dǎo)出復(fù)合光束中渦旋位置滿足的條件,分析了束腰、振幅及傳輸距離等參數(shù)對光束中渦旋數(shù)目的影響,數(shù)值模擬的相位分布與理論結(jié)果相符。同時,利用復(fù)合渦旋光束與平面波干涉場的光強分布規(guī)律,得出光束中各渦旋攜帶的拓?fù)浜尚畔ⅰ?4)針對復(fù)合渦旋光束拓?fù)浜尚畔y量的問題,提出了利用其光強分布特征及經(jīng)遮擋部分方位角橢圓型光闌的衍射圖樣來檢測各子光束攜帶拓?fù)浜尚畔⒌姆椒ā?br> 【學(xué)位授予單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN929.1
【圖文】：

題的研究背景及意義作為一種電磁波，可通過求解其波動方程來分析光束的空間分布及傳輸特程的光場解存在奇點時，其光波被稱為渦旋光束。其中，奇點被稱為光渦度為零、相位不唯一的點。旋光束是一種具有連續(xù)螺旋狀相位波前的特殊光場，且可用 exp(ilφ)項表示殊相位結(jié)構(gòu)，其中φ為空間方位角，l 是拓?fù)浜蓴?shù)，理論上可取任意值。因、球面波、激光等波束相比，渦旋光束除了具有自旋角動量還攜帶軌道角決于拓?fù)浜蓴?shù)，表示為 l ，其中 是普朗克常量。渦旋光束的基本屬性：旋狀波前嵌套組成；光束中心存在一個帶拓?fù)潆姾蓴?shù)為 l 的渦旋；光強呈布。

太原理工大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章 渦旋光束理論和軌道角動量的檢測方法渦旋光束及軌道角動量的基本原理渦旋光束是指含相位奇點的光波，其光場表達(dá)式可寫成[56] 0u r , , z u r , , z exp il exp i kz， r , ,z 表示柱坐標(biāo)系，l 為拓?fù)浜蓴?shù)，z 是光的傳播方向，k 為波數(shù)。0u 光場的振幅強度。

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