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雅宝题库解析：
涡旋光束1992年被证实在光束传输方向上具有确定的轨道角动量，之后，该类光束引起了许多专家学者的广泛关注和研究。涡旋光束的轨道角动量特性已经在粒子操纵、生物医学、光学遥感、空间通信等领域得到了广泛的应用，尤其是在用于空间通信上时，可以大大增强通信的传输数据容量和保密性。本博士论文主要以拉盖尔－高斯光束为例研究了涡旋光束的传输和探测特性。分别分析了自由空间和湍流大气中涡旋光束的传输特性，以及传输和探测系统的不对准对光束的影响，研究了相位全息光栅探测涡旋光束后输出光束的解析特性，并提出一种新的简单方便的多孔径模板法来探测涡旋光束。 本论文的研究工作和创新点主要包括以下几点： 首先研究了自由空间中拉盖尔－高斯光束的传输特性。推导得到了自由空间中拉盖尔－高斯光束经过旋转对称光学系统的传输表达式，分析发现旋转对称的光学系统不会影响拉盖尔－高斯光束的轨道角动量特性。同时研究了拉盖尔－高斯光束轨道角动量信息传输系统在未对准时轨道角动量谱的变化特性。得到在任意传播距离处，接收系统轴与光轴分别出现横向偏移、角向倾斜，以及两者同时存在时光束的表达式。并分析和比较了几种情况下螺旋谱的变化特征。经证实光束与系统间的不对准会引起涡旋光束螺旋谱的弥散。根据得到的研究结果，提出一种系统对准的方法。 其次研究了拉盖尔－高斯光束在湍流大气中的传输特性。分别以解析法和数值分析法研究了在弱湍流大气和中强度湍流大气中的传输特性。得出大气湍流对光束螺旋谱的影响以及光束螺旋谱随各参数值的变化特性。仿真发现大气湍流会使螺旋谱发生弥散，而且随着拓扑荷、接收孔径半径、折射率结构函数及距离的增加，螺旋谱弥散加剧。研究还得出上下行通信链路中LG光束受到大气湍流的影响比水平通信链路受到的影响小。同时还计算了通信系统分别在两种编码方式：单拓扑荷编码和混合拓扑荷编码下的信道容量。研究发现在单拓扑荷编码时，可选的发送拓扑荷集合元素越多，信道容量越大；而在混合拓扑荷编码时，当选择最优拓扑荷组合时，发送的拓扑荷个数越多，信道容量越大。 最后研究了涡旋光束的探测特性。分析了涡旋光束与相位全息光栅不对准时衍射光束的解析特性。研究表明，拉盖尔－高斯光束经相位全息光栅衍射后得到的光场表达式为合流超几何函数形式。光束与相位全息光栅间的不对准会引起衍射光束质心的偏移，而且光束质心的偏移量随入射光束偏移距离和偏离角的增加而增加，与入射光束的偏移方向和方位角无关，而光束质心的偏移角与入射光束的偏移方向和方位角有关。论文还提出一种新的利用多孔径模板法以实现涡旋光束的拓扑荷与径向参数的同时测量。当拉盖尔－高斯光束穿过该种新样式的多孔径掩模板后，根据接收面上的强度分布来同时测量光束的角向指数和径向指数。该方法使同时利用角向指数和径向指数进行通信编码成为可能，可以满足现代通信对大容量信息传输的要求。 |
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发表于 2022-9-4 23:52:11
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