非均匀湍流大气中涡旋光束的传输特性及自适应光学校正

In recent years, much work has been done to study the propagating properties of vortex beams that possess an intensity null and hence a singular phase. Vortex beams are of particular interest because they carry orbital angular momentum (OAM) which could be used as an information carrier in free space optical communication (FSOC). The effect of turbulence on vortex beams and how to improve the beam quality degraded by atmospheric turbulence is one of the most important problems in FSOC. In this project, theoretically analyze and simulate the main research contents are as follow: investigate the effect of atmospheric turbulence on the propagation of optical vortex beams, such as scintillation, beam wander and spreading, evolutionary and statistical properties of phase singularities from vortex beam and turbulent atmosphere, spiral spectrum of OAM; study on the properties of non-diffraction and self-healing vortex beams and beam arrays propagating in turbulent atmosphere; propose an adaptive optics (AO) compensation scheme to simultaneously compensate vortex beams propagating through atmospheric turbulence and reconstruction of discontinuous light-phase which includes phase singularities. It hopes, by this project, to provide a possible method for measuring atmospheric turbulence effect with the spiral spectrum of OAM, obtain the parameters of vortex beams and beam arrays which could be used as information carrier more suitable, develop an AO correction algorithm for the wavefront distortion of vortex beams, which will provide references for the practical application of FSOC.

近年来，中心光强为零且携带有相位奇点的涡旋光束因其轨道角动量（OAM）可以作为信息的载体而受到人们的广泛关注。大气湍流对涡旋光束的作用机理及如何减小大气湍流对涡旋光束的影响成为自由空间光通信领域亟需研究解决的主要问题之一。本项目拟采用理论分析和数值模拟的方法主要开展以下研究内容：涡旋光束在非均匀湍流大气中的光强闪烁、光束扩展和漂移、相位奇点的演化以及OAM螺旋谱特性；具有无衍射、自恢复特性的涡旋光束和光束阵列在湍流大气中的传输特性；涡旋光束在湍流大气中的自适应光学校正及不连续相位的重建方法。通过此项研究，可以探索描述湍流效应的新方法，即用OAM的弥散程度描述湍流效应；获得受大气湍流影响最小的涡旋光束或光束阵列参数；提出一种适用于涡旋光束波前畸变的自适应光学校正算法，为自由空间光通信工程的实际应用提供一定的参考依据。

近年来，中心光强为零且携带有相位奇点的涡旋光束因其轨道角动量可以作为信息的载体而受到人们的广泛关注。大气湍流对涡旋光束的作用机理以及如何减小大气湍流对涡旋光束的影响成为自由空间光通信领域亟需研究解决的主要问题之一。本项目利用激光大气传输程序模拟计算了激光在非均匀湍流大气中上行和下行传输时畸变光场中产生的相位奇点数密度的变化过程，并利用相位奇点产生和湮灭的速率关系给出理论解释；以Bessel涡旋光束和Bessel-Gaussian涡旋光束为例，数值模拟了无衍射涡旋光束在湍流大气中传输时引起的光束扩展以及畸变光场中产生的相位奇点的变化特征，结果表明：Bessel-Gaussian涡旋光束在自由空间光通信中作为信息载体方面具有较大的优势；研究了携带相位奇点且具有多个亮环的零阶Bessel-Gaussian光束在湍流大气中的传输特性，结果表明：该光束在湍流大气中传输时保持相位奇异性的能力更强，且光束的波长越长、束腰越宽以及拓扑荷越高受湍流的影响越小；研究了Laguerre-Gaussian涡旋光束和Bessel-Gaussian涡旋光束分别在湍流大气中水平和斜程传输时轨道角动量谱的弥散程度，结果表明：大气湍流会导致涡旋光束轨道角动量谱的弥散，且随着湍流强度、传输距离、传输天顶角、拓扑荷的增加以波长的减小，轨道角动量谱的弥散程度增加，但束腰宽度、接收孔径以及湍流内外尺度对轨道角动量谱的弥散影响很小；相同拓扑荷、不同类型的涡旋光束在同样的条件下传输时，轨道角动量谱的弥散程度会有所不同。数值模拟了Airy光束、Airy涡旋光束以及光束阵列在湍流大气中的光强分布、光束扩展等，结果表明，传输条件和光束的初始参量均会影响无衍射光束或光束阵列在湍流大气中的传输特性；以Laguerre-Gaussian涡旋光束为例，探讨了涡旋光束在湍流大气中传输时的自适应光学校正效果，结果表明，自适应光学系统的变形镜单元数影响涡旋光束的校正效果，变形镜单元数越高，校正效果越好。以上结论可以为涡旋光束在自由空间光通信中的应用提供一定的参考。