光束轨道角动量编码和传输特性的研究

摘要

随着信息技术的不断发展，人们认识到时间/振幅/频率/相位/偏振的调制方式，以及波分复州/时分复用/偏振复用已很难满足云计算、大数据的处理、物联网、移动互联网业务的高速发展。为了提高传输容量和频谱效率，国内外学者将注意力集中到轨道角动量复用通信上。由于轨道角动最态间固有的正交性，在轨道角动量基函数下建立的希尔伯特空间里进行信息的编码和空间传输特性的研究，对未来的轨道角动量复用通信有着深远的意义。本课题主要对轨道角动量相位信息编码和涡旋光束空间传输特性进行了研究，主要工作如下：
　　1．根据轨道角动量定义阐述了光学涡旋现象，并且由涡旋光束间的正交性总结出了涡旋光束复用通信系统。
　　2．利用空间光调制器对整数阶和分数阶拉盖尔高斯光束进行制各，在涡旋光束的传输特性矩阵基础上分析了Math-Zehnder干涉仪测量系统，理论上证明了万模式转换器可以改进干涉仪测量系统。
　　3．通过分析基模厄米高斯光束透过台阶结构(QSS)后轨道角动量(OAM)螺旋谱，对八台阶结构进行相位信息的编码，利用探测光斑实现信息的解码。
　　4．仿真分析了高阶贝塞尔高斯光束在大气湍流中传播时，湍流介质引起高阶贝塞尔高斯光束轨道角动量的弥散，得出了轨道角动量在大气湍流中传输时轨道角动量的变化规律。
　　研究结果表明：1．八台阶结构相位编码的方法，每个存储单元理论上可编码24bits数据信息，是四台阶结构编码信息的3倍。2．理论上证明了π模式转换器可以解决Mach-Zehnder干涉仪测量系统中轨道角动量模式数为偶数的变号问题。3．具有轨道角动量的高阶贝塞尔高斯光束在大气斜程传输时随着折射率结构常数、天顶角、传输距离和光束波长的增大，轨道角动量弥散越大，而且望远镜接收孔径和光斑大小对轨道角动量弥散的影响非常小。

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1 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究进展

1.3 本课题主要研究内容

2 轨道角动量光学涡旋和复用的基本原理

2.1 光束轨道角动量

2.2光束轨道角动量复用技术的研究

2.3本章小结

3 轨道角动量光学涡旋的制备和检测

3.1拉盖尔高斯光束

3.2拉盖尔高斯光束制备的新型方法

3.3光束轨道角动量的检测

3.4本章小结

4涡旋光束轨道角动量相位信息编码

4.1 QSS四台阶结构相位信息编码和解码原理

4.2 QSS八台阶结构相位信息编码和解码原理

4.3 本章小结

5涡旋光束空间传输特性

5.1拉盖尔高斯光束在弱湍流中传输时轨道角动量的研究

5.2高阶贝塞尔高斯光束在大气斜程传输中的研究

5.3 本章小结

6 总结与展望

6.1论文研究总结

6.2展望

致谢

参考文献

附录

攻读硕士学位期间研究成果

硕士期间参与的基金项目