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第1章 绪论1

1.1 光学涡旋1

1.2 轨道角动量复用通信系统2

1.2.1 背景与意义2

1.2.2 轨道角动量复用技术原理4

1.2.3 轨道角动量复用通信系统模型4

1.3 涡旋光束的产生5

1.3.1 空间产生法5

1.3.2 光纤产生法7

1.3.3 涡旋光束产生方法的对比7

1.4 涡旋光束的传输特性8

1.4.1 大气湍流效应8

1.4.2 光束传输特性研究方法9

1.4.3 涡旋光束的传输特性研究进展10

1.5 相位恢复11

1.5.1 传统自适应光学校正技术11

1.5.2 无波前传感器的自适应光学校正12

1.5.3 涡旋光束相位畸变校正13

1.6 涡旋光束的分离与检测14

1.6.1 叉形光栅14

1.6.2 干涉特性14

1.6.3 衍射特性16

1.6.4 重构波前17

参考文献18

第2章 涡旋光束的空间产生法23

2.1 涡旋光束的基本原理23

2.2 几种典型的涡旋光束24

2.2.1 LG光束25

2.2.2 贝塞尔光束27

2.2.3 HG光束27

2.3 常用的空间产生法28

2.3.1 计算全息法28

2.3.2 几何模式转换法30

2.3.3 螺旋相位板法31

2.3.4 空间光调制器法33

2.3.5 光波导器件转化法33

2.4 高阶径向LG光束34

2.5 分数阶涡旋光束的产生37

2.5.1 全息法制备LG光束的原理37

2.5.2 分数阶LG光束轨道角动量的实验研究39

参考文献42

第3章 涡旋光束的光纤产生法44

3.1 引言44

3.2 光纤模式理论44

3.2.1 波动方程44

3.2.2 光纤中的矢量模式45

3.2.3 导模截止与远离截止49

3.2.4 弱导近似下的标量模52

3.2.5 利用光纤产生涡旋光原理分析54

3.3 光纤产生涡旋光的影响因素分析56

3.3.1 入射波长对涡旋光产生的影响56

3.3.2 光纤内外折射率差对涡旋光产生的影响57

3.3.3 光纤纤芯半径对涡旋光产生的影响59

3.3.4 入射角度对涡旋光激发效率的影响60

3.3.5 离轴入射光纤对涡旋光产生的影响62

3.4 利用少模光纤产生涡旋光的实验63

3.4.1 利用少模光纤产生涡旋光的原理63

3.4.2 涡旋光的激发效率分析64

3.4.3 实验研究65

3.4.4 相位验证68

3.5 改变光纤结构产生涡旋光69

3.5.1 结构设计69

3.5.2 低折射率层对OAM模式的影响71

参考文献73

第4章 高阶径向指数拉盖尔-高斯光束的叠加特性75

4.1 引言75

4.2 径向指数和拓扑荷数对高阶径向LG光束叠加态的影响75

4.2.1 拓扑荷数相同的LG光束干涉叠加76

4.2.2 径向指数相同的LG光束干涉叠加78

4.2.3 任意径向指数、拓扑荷数的LG光束干涉叠加81

4.3 传输距离对高阶径向LG光束叠加态的影响82

4.4 束腰半径对高阶径向LG光束叠加态的影响83

4.5 离轴参数对高阶径向LG光束叠加态的影响85

4.6 高阶径向LG光束叠加态的实验87

4.6.1 实验装置87

4.6.2 全息图的产生87

4.6.3 实验结果分析89

参考文献93

第5章 涡旋光束的传输特性94

5.1 引言94

5.2 LG光束在大气湍流中的传输94

5.2.1 理论分析94

5.2.2 LG光束经大气湍流斜程信道时的传输特性97

5.3 BG光束在空间中的传输104

5.3.1 BG光束在湍流中传输理论104

5.3.2 BG光束经大气湍流信道时的特性105

5.4 涡旋光束斜程传输时轨道角动量的稳定性研究109

5.4.1 涡旋光束的光强分布对比109

5.4.2 涡旋光束的各谐波分量对比111

5.5 单模和多模复用涡旋光束在大气湍流中的传输116

5.5.1 单模涡旋光束在大气湍流中的传输116

5.5.2 多模复用涡旋光束在大气湍流中的传输118

5.6 涡旋光束的轨道角动量120

5.6.1 轨道角动量谱分解120

5.6.2 拓扑荷数扩展121

5.6.3 轨道角动量模式纯度123

参考文献124

第6章 自适应光学校正技术126

6.1 引言126

6.2 自适应光学基本原理126

6.2.1 自适应光学校正技术126

6.2.2 SH算法128

6.2.3 相位恢复算法129

6.2.4 随机并行梯度下降算法131

6.3 OAM光束通过大气湍流后的波前校正133

6.3.1 相位恢复算法133

6.3.2 随机并行梯度下降算法136

6.4 实验研究138

6.4.1 相位恢复算法138

6.4.2 随机并行梯度下降算法140

参考文献144

第7章 大气湍流下轨道角动量复用系统串扰分析145

7.1 引言145

7.2 轨道角动量光束在大气湍流中的传输理论147

7.2.1 多相位屏传输法147

7.2.2 随机相位屏的产生147

7.2.3 大气湍流下轨道角动量复用光束串扰的产生148

7.3 大气湍流中轨道角动量复用光束光强相位分析149

7.3.1 轨道角动量复用光束的形成149

7.3.2 不同传输条件下的光强和相位影响151

7.4 大气湍流下轨道角动量复用光束螺旋谱特性152

7.4.1 轨道角动量复用光束螺旋谱理论153

7.4.2 不同传输条件下的螺旋谱分析153

7.5 大气湍流下轨道角动量复用光束误码率分析156

7.5.1 轨道角动量复用光束误码率理论156

7.5.2 不同传输条件下的误码率分析157

7.6 大气湍流对轨道角动量复用光束影响的实验158

7.6.1 实验原理159

7.6.2 实验结果分析160

参考文献161

第8章 涡旋光束叠加态的特性163

8.1 引言163

8.2 光栅法制备涡旋光束叠加态164

8.2.1 理论分析164

8.2.2 光栅叠加164

8.3 相位法叠加制备双OAM光166

8.3.1 理论分析166

8.3.2 不同拓扑荷数的叠加涡旋光束特性分析168

8.4 涡旋光束叠加干涉实验170

8.4.1 实验设计170

8.4.2 光栅法叠加的实验171

8.4.3 光栅法叠加的结果分析174

8.4.4 相位法叠加的实验174

8.4.5 相位法叠加的结果与分析177

参考文献178

第9章 涡旋光束的检测179

9.1 引言179

9.2 利用坐标转换法分离检测OAM态180

9.2.1 理论基础180

9.2.2 不同拓扑荷数的叠加光场分布182

9.2.3 基于坐标转换法的OAM复用系统183

9.3 利用光栅检测涡旋光轨道角动量184

9.3.1 光栅的传输函数及其表示184

9.3.2 涡旋光光场及其衍射185

9.3.3 相位校正与fan-out技术186

9.3.4 周期渐变光栅188

9.4 干涉法检测涡旋光相位191

9.4.1 涡旋光自身干涉检测法191

9.4.2 双缝干涉检测法192

9.5 衍射法检测涡旋光相位194

9.5.1 三角形衍射检测法194

9.5.2 方孔衍射检测法195

9.5.3 单缝衍射检测法196

9.5.4 圆孔衍射检测法198

参考文献199

第10章 涡旋光束轨道角动量信息编解码201

10.1 引言201

10.2 涡旋光束轨道角动量相位信息编码202

10.2.1 四台阶QSS相位信息编码和解码原理202

10.2.2 八台阶QSS相位信息编码和解码原理207

10.3 混合涡旋光场轨道角动量编解码211

10.3.1 HzG光轨道角动量211

10.3.2 单光束动态全息图轨道角动量编码212

10.3.3 多光束静态全息图轨道角动量编解码213

10.3.4 改进的单涡旋光束轨道角动量数据编解码214

10.4 光轨道角动量量子通信编码217

参考文献220

第11章 涡旋光束经马卡天线的衍射特性222

11.1 引言222

11.2 马卡天线衍射模型222

11.3 LG光束经马卡天线的衍射特性224

11.3.1 衍射场分析225

11.3.2 螺旋谱分析228

11.4 马卡天线性能分析230

参考文献231