渦旋光束的產(chǎn)生、傳輸、檢測及應用(第二版)
本書主要圍繞軌道角動量復用通信的關(guān)鍵技術(shù)，對渦旋光束的產(chǎn)生、傳輸、檢測及應用進行介紹，對一系列產(chǎn)生渦旋光束的方法進行詳細的描述和對比；以拉蓋爾-高斯光束和貝塞爾-高斯光束為主，介紹渦旋光束在大氣湍流中的傳輸特性；利用渦旋光束的疊加態(tài)、干涉、衍射及光柵，實現(xiàn)渦旋光束拓撲荷數(shù)的檢測；介紹渦旋光束在光通信中的應用及部分相干渦旋光束在大氣湍流中的傳輸特性；介紹渦旋光束信息交換及信道重構(gòu)。
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目錄
前言
第1章緒論1
1.1光學渦旋1
1.2軌道角動量復用通信系統(tǒng)2
1.2.1背景與意義2
1.2.2軌道角動量復用技術(shù)原理6
1.2.3軌道角動量復用通信系統(tǒng)模型7
1.3渦旋光束的產(chǎn)生7
1.3.1空間產(chǎn)生法7
1.3.2光纖產(chǎn)生法12
1.3.3渦旋光束產(chǎn)生方法的對比15
1.4渦旋光束的影響因素15
1.4.1大氣湍流效應15
1.4.2光束傳輸特性研究方法16
1.4.3渦旋光束的傳輸特性研究進展17
1.5相位恢復19
1.5.1傳統(tǒng)自適應光學校正技術(shù)19
1.5.2無波前傳感器的AO校正20
1.5.3渦旋光束相位畸變校正21
1.6渦旋光束的分離與檢測22
1.6.1叉形光柵23
1.6.2干涉特性23
1.6.3衍射特性25
1.6.4重構(gòu)波前27
參考文獻29
第2章渦旋光束的空間產(chǎn)生法36
2.1渦旋光束的基本原理36
2.2幾種典型的渦旋光束37
2.2.1拉蓋爾-高斯光束37
2.2.2貝塞爾光束39
2.2.3厄米-高斯光束39
2.3渦旋光束的產(chǎn)生方法40
2.3.1計算全息法40
2.3.2幾何模式轉(zhuǎn)換法42
2.3.3螺旋相位板法43
2.3.4空間光調(diào)制器法45
2.3.5光波導器件轉(zhuǎn)化法45
2.4高階徑向LG光束46
2.5分數(shù)階渦旋光束的產(chǎn)生48
2.5.1計算全息法制備LG光束的原理48
2.5.2分數(shù)階拉蓋爾-高斯光束軌道角動量的實驗研究50
參考文獻53
第3章渦旋光束的光纖產(chǎn)生法55
3.1引言55
3.2光纖模式理論55
3.2.1波動方程55
3.2.2光纖中的矢量模式56
3.2.3導模截止與遠離截止60
3.2.4弱導近似下的標量模63
3.2.5光纖產(chǎn)生渦旋光原理分析65
3.3光纖產(chǎn)生渦旋光的影響因素分析67
3.3.1入射波長對渦旋光產(chǎn)生的影響67
3.3.2光纖內(nèi)外折射率差對渦旋光產(chǎn)生的影響68
3.3.3光纖纖芯半徑對渦旋光產(chǎn)生的影響69
3.3.4入射角度對渦旋光激發(fā)效率的影響70
3.3.5離軸入射光纖對渦旋光產(chǎn)生的影響71
3.4利用少模光纖產(chǎn)生渦旋光的實驗72
3.4.1利用少模光纖產(chǎn)生渦旋光的原理72
3.4.2渦旋光的激發(fā)效率分析73
3.4.3實驗研究74
3.4.4相位驗證78
3.5改變光纖結(jié)構(gòu)產(chǎn)生渦旋光78
3.5.1結(jié)構(gòu)設計78
3.5.2低折射率層對OAM模式的影響80
參考文獻82
第4章高階徑向拉蓋爾-高斯光束的疊加特性84
4.1引言84
4.2徑向指數(shù)對高階徑向LG光束疊加態(tài)的影響84
4.2.1拓撲荷數(shù)相同的LG光束干涉疊加85
4.2.2徑向指數(shù)相同的LG光束干涉疊加86
4.2.3任意徑向指數(shù)、拓撲荷數(shù)的LG光束干涉疊加90
4.3傳輸距離對高階徑向LG光束疊加態(tài)的影響91
4.4束腰半徑對高階徑向LG光束疊加態(tài)的影響93
4.5離軸參數(shù)對高階徑向LG光束疊加態(tài)的影響94
4.6高階徑向LG光束疊加態(tài)的實驗96
4.6.1實驗裝置96
4.6.2全息圖的產(chǎn)生96
4.6.3實驗結(jié)果分析98
參考文獻102
第5章渦旋光束的傳輸特性104
5.1引言104
5.2LG光束在大氣湍流中的傳輸104
5.2.1理論分析104
5.2.2LG光束經(jīng)大氣湍流斜程信道時的傳輸特性108
5.3BG光束在大氣湍流中的傳輸114
5.3.1BG光束在湍流中的傳輸理論.114
5.3.2BG光束經(jīng)大氣湍流信道時的特性116
5.4渦旋光束斜程傳輸時軌道角動量的穩(wěn)定性研究119
5.4.1渦旋光束的光強分布對比119
5.4.2渦旋光束的各諧波分量對比121
參考文獻126
第6章自適應光學校正技術(shù)127
6.1引言127
6.2自適應光學基本原理127
6.2.1自適應光學校正系統(tǒng)127
6.2.2夏克-哈特曼算法129
6.2.3相位恢復算法130
6.2.4隨機并行梯度下降算法132
6.2.5相位差算法134
6.3OAM光束通過大氣湍流后的波前校正137
6.3.1相位恢復算法137
6.3.2隨機并行梯度下降算法140
6.3.3相位差算法143
6.4實驗研究147
6.4.1相位恢復算法147
6.4.2隨機并行梯度下降算法149
6.4.3相位差算法153
參考文獻158
第7章大氣湍流下軌道角動量復用系統(tǒng)串擾分析159
7.1引言159
7.2軌道角動量光束在大氣湍流中的傳輸理論161
7.2.1多相位屏傳輸法161
7.2.2隨機相位屏的產(chǎn)生161
7.2.3大氣湍流下軌道角動量復用光束串擾的產(chǎn)生162
7.3大氣湍流中軌道角動量復用光束光強相位分析163
7.3.1軌道角動量復用光束的形成163
7.3.2不同傳輸條件下的光強和相位影響165
7.4大氣湍流下軌道角動量復用光束螺旋譜特性167
7.4.1軌道角動量復用光束螺旋譜理論167
7.4.2不同傳輸條件下的螺旋譜分析168
7.5大氣湍流下軌道角動量復用光束誤碼率分析170
7.5.1軌道角動量復用光束誤碼率理論171
7.5.2不同傳輸條件下的誤碼率分析172
7.6大氣湍流對軌道角動量復用光束影響的實驗173
7.6.1實驗原理173
7.6.2實驗結(jié)果分析174
參考文獻176
第8章渦旋光束疊加態(tài)的特性178
8.1引言178
8.2光柵法制備渦旋光束疊加態(tài)179
8.2.1理論分析179
8.2.2光柵疊加179
8.3相位法疊加制備雙OAM光181
8.3.1理論分析181
8.3.2不同拓撲荷數(shù)的疊加渦旋光束特性分析183
8.4渦旋光束疊加干涉實驗185
8.4.1實驗設計185
8.4.2光柵法疊加的實驗186
8.4.3光柵法疊加的結(jié)果與分析189
8.4.4相位法疊加的實驗189
8.4.5相位法疊加的結(jié)果與分析191
參考文獻193
第9章渦旋光束的檢測194
9.1引言194
9.2利用坐標轉(zhuǎn)換法分離檢測OAM態(tài)195
9.2.1理論基礎195
9.2.2不同拓撲荷數(shù)的疊加光場分布196
9.2.3基于坐標轉(zhuǎn)換法的OAM態(tài)復用系統(tǒng)198
9.3利用光柵檢測渦旋光軌道角動量199
9.3.1光柵的傳輸函數(shù)及其表示199
9.3.2渦旋光光場及其衍射200
9.3.3相位校正與fan-out技術(shù)201
9.3.4周期漸變光柵202
9.4干涉法檢測渦旋光相位205
9.4.1渦旋光自身干涉檢測法205
9.4.2雙縫干涉檢測法207
9.5衍射法檢測渦旋光相位208
9.5.1三角形衍射檢測法208
9.5.2方孔衍射檢測法209
9.5.3單縫衍射檢測法211
9.5.4圓孔衍射檢測法212
參考文獻214
第10章渦旋光束經(jīng)光學系統(tǒng)的衍射特性216
10.1渦旋光束經(jīng)馬卡天線的衍射模型216
10.1.1馬卡天線結(jié)構(gòu)216
10.1.2馬卡天線衍射模型217
10.2渦旋光束經(jīng)馬卡天線光學系統(tǒng)的衍射特性分析219
10.2.1衍射光場模型219
10.2.2衍射光斑和相位分布220
10.2.3螺旋譜分布224
10.2.4馬卡天線的發(fā)射效率226
10.3渦旋光束經(jīng)孔徑光闌的衍射特性分析227
10.3.1孔徑光闌衍射理論模型227
10.3.2渦旋光束經(jīng)孔徑光闌的理論衍射分析229
10.3.3渦旋光束經(jīng)孔徑光闌的實驗衍射圖樣分析232
10.3.4孔徑光闌檢測效果對比234
參考文獻235
第11章大氣湍流中部分相干渦旋光束陣列的傳輸特性236
11.1光束陣列的概述236
11.2大氣湍流中徑向部分相干渦旋光束陣列的光強分布238
11.2.1徑向部分相干渦旋光束陣列的數(shù)學模型238
11.2.2觀測平面上的交叉譜密度函數(shù)239
11.2.3觀測平面上的光強表達式246
11.3Non-Kolmogorov湍流中光源參數(shù)對光強特性的影響248
11.3.1徑向陣列參數(shù)影響分析248
11.3.2單個部分相干渦旋光束參數(shù)影響分析252
11.4Non-Kolmogorov湍流參數(shù)對光強特性的影響257
11.4.1Non-Kolmogorov湍流強度影響分析257
11.4.2Non-Kolmogorov湍流內(nèi)外尺度影響分析260
參考文獻263
第12章大氣湍流中標量部分相干渦旋光束的傳輸特性264
12.1拉蓋爾-高斯-謝爾渦旋光束基本理論264
12.1.1拉蓋爾-高斯-謝爾光束265
12.1.2拉蓋爾-高斯-謝爾渦旋光束模型267
12.1.3大氣湍流中拉蓋爾-高斯-謝爾渦旋光束傳輸理論267
12.2遠場拉蓋爾-高斯-謝爾渦旋光束相位奇點演化271
12.2.1相位奇點與拓撲荷數(shù)的關(guān)系271
12.2.2傳輸距離對相位奇點演化的影響273
12.2.3相關(guān)長度對相位奇點演化的影響274
12.3大氣湍流中拉蓋爾-高斯-謝爾渦旋光束的光強分布276
12.3.1大氣湍流強度對光強分布的影響276
12.3.2大氣湍流內(nèi)外尺度對光強分布的影響278
12.4大氣湍流中拉蓋爾-高斯-謝爾渦旋光束的光束擴展279
12.4.1光束擴展隨光源參數(shù)變化分析279
12.4.2光束擴展隨大氣湍流強度變化分析283
參考文獻284
第13章大氣湍流中矢量部分相干渦旋光束的傳輸特性285
13.1矢量部分相干渦旋光束的偏振理論285
13.2大氣湍流中矢量部分相干渦旋光束的交叉譜密度矩陣286
13.2.1強度和偏振度288
13.2.2偏振方向角289
13.3大氣湍流中矢量部分相干渦旋光束的偏振度分布290
13.3.1光源參數(shù)對偏振度的影響290
13.3.2大氣湍流對偏振度的影響294
13.3.3偏振度隨傳輸距離的變化295
13.4大氣湍流中矢量部分相干渦旋光束的偏振方向角分布297
13.4.1大氣湍流對偏振方向角的影響297
13.4.2傳輸距離對偏振方向角的影響298
13.5偏振方向角檢測拓撲荷數(shù)299
13.5.1遠場衍射光場的偏振方向角模型299
13.5.2偏振方向角檢測拓撲荷數(shù)的結(jié)果300
13.5.3光源參數(shù)對檢測效果影響分析301
參考文獻305
第14章渦旋光束信息交換306
14.1OAM渦旋光束拓撲荷數(shù)的靈活性306
14.1.1單束OAM光束的轉(zhuǎn)換306
14.1.2OAM復用光束的轉(zhuǎn)換307
14.2OAM渦旋光束信道重構(gòu)原理308
14.2.1OAM光束信息交換308
14.2.2OAM光束模式切換310
14.3OAM復用渦旋光束解復用322
14.4OAM渦旋光束信道重構(gòu)實驗研究324
14.4.1OAM信息交換實驗研究324
14.4.2三束OAM復用光束中兩束信息交換實驗研究327
14.4.3多束OAM復用光束中一束模式切換實驗研究328
14.4.4交換兩路多束OAM復用光束中一束模式相同信息不同的OAM光束實驗研究330
14.4.5多束OAM復用光束中一束模式刪除/添加實驗研究332
參考文獻333
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