涡旋光束的产生、传输、检测及应用

　　《涡旋光束的产生、传输、检测及应用》主要围绕轨道角动量复用通信的关键技术，对涡旋光束的产生、传输、检测及应用进行介绍，主要包括对一系列产生涡旋光束的方法进行详细的描述和对比；以拉盖尔-高斯光束和贝塞尔-高斯光束为例，介绍它们在大气湍流中的传输特性；利用涡旋光束的叠加态、干涉、衍射及光栅，实现涡旋光束拓扑荷数的检测；介绍涡旋光束在光通信中的应用。

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目录
前言
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