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涡旋光束的产生、传输、检测及应用

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作者柯熙政，丁德强著

出版社科学出版社

ISBN9787030745217

出版时间2023-09

装帧平装

开本其他

定价210元

货号13965926

上书时间2024-12-09

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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6

1.2.3轨道角动量复用通信系统模型7

1.3涡旋光束的产生7

1.3.1空间产生法7

1.3.2光纤产生法12

1.3.3涡旋光束产生方法的对比15

1.4涡旋光束的影响因素15

1.4.1大气湍流效应15

1.4.2光束传输特性研究方法16

1.4.3涡旋光束的传输特性研究进展17

1.5相位恢复19

1.5.1传统自适应光学校正技术19

1.5.2无波前传感器的AO校正20

1.5.3涡旋光束相位畸变校正21

1.6涡旋光束的分离与检测22

1.6.1叉形光栅23

1.6.2干涉特性23

1.6.3衍射特性25

1.6.4重构波前27

参考文献29

第2章涡旋光束的空间产生法36

2.1涡旋光束的基本原理36

2.2几种典型的涡旋光束37

2.2.1拉盖尔-高斯光束37

2.2.2贝塞尔光束39

2.2.3厄米-高斯光束39

2.3涡旋光束的产生方法40

2.3.1计算全息法40

2.3.2几何模式转换法42

2.3.3螺旋相位板法43

2.3.4空间光调制器法45

2.3.5光波导器件转化法45

2.4高阶径向LG光束46

2.5分数阶涡旋光束的产生48

2.5.1计算全息法制备LG光束的原理48

2.5.2分数阶拉盖尔-高斯光束轨道角动量的实验研究50

参考文献53

第3章涡旋光束的光纤产生法55

3.1引言55

3.2光纤模式理论55

3.2.1波动方程55

3.2.2光纤中的矢量模式56

3.2.3导模截止与远离截止60

3.2.4弱导近似下的标量模63

3.2.5光纤产生涡旋光原理分析65

3.3光纤产生涡旋光的影响因素分析67

3.3.1入射波长对涡旋光产生的影响67

3.3.2光纤内外折射率差对涡旋光产生的影响68

3.3.3光纤纤芯半径对涡旋光产生的影响69

3.3.4入射角度对涡旋光激发效率的影响70

3.3.5离轴入射光纤对涡旋光产生的影响71

3.4利用少模光纤产生涡旋光的实验72

3.4.1利用少模光纤产生涡旋光的原理72

3.4.2涡旋光的激发效率分析73

3.4.3实验研究74

3.4.4相位验证78

3.5改变光纤结构产生涡旋光78

3.5.1结构设计78

3.5.2低折射率层对OAM模式的影响80

参考文献82

第4章高阶径向拉盖尔-高斯光束的叠加特性84

4.1引言84

4.2径向指数对高阶径向LG光束叠加态的影响84

4.2.1拓扑荷数相同的LG光束干涉叠加85

4.2.2径向指数相同的LG光束干涉叠加86

4.2.3任意径向指数、拓扑荷数的LG光束干涉叠加90

4.3传输距离对高阶径向LG光束叠加态的影响91

4.4束腰半径对高阶径向LG光束叠加态的影响93

4.5离轴参数对高阶径向LG光束叠加态的影响94

4.6高阶径向LG光束叠加态的实验96

4.6.1实验装置96

4.6.2全息图的产生96

4.6.3实验结果分析98

参考文献102

第5章涡旋光束的传输特性104

5.1引言104

5.2LG光束在大气湍流中的传输104

5.2.1理论分析104

5.2.2LG光束经大气湍流斜程信道时的传输特性108

5.3BG光束在大气湍流中的传输114

5.3.1BG光束在湍流中的传输理论.114

5.3.2BG光束经大气湍流信道时的特性116

5.4涡旋光束斜程传输时轨道角动量的稳定性研究119

5.4.1涡旋光束的光强分布对比119

5.4.2涡旋光束的各谐波分量对比121

参考文献126

第6章自适应光学校正技术127

6.1引言127

6.2自适应光学基本原理127

6.2.1自适应光学校正系统127

6.2.2夏克-哈特曼算法129

6.2.3相位恢复算法130

6.2.4随机并行梯度下降算法132

6.2.5相位差算法134

6.3OAM光束通过大气湍流后的波前校正137

6.3.1相位恢复算法137

6.3.2随机并行梯度下降算法140

6.3.3相位差算法143

6.4实验研究147

6.4.1相位恢复算法147

6.4.2随机并行梯度下降算法149

6.4.3相位差算法153

参考文献158

第7章大气湍流下轨道角动量复用系统串扰分析159

7.1引言159

7.2轨道角动量光束在大气湍流中的传输理论161

7.2.1多相位屏传输法161

7.2.2随机相位屏的产生161

7.2.3大气湍流下轨道角动量复用光束串扰的产生162

7.3大气湍流中轨道角动量复用光束光强相位分析163

7.3.1轨道角动量复用光束的形成163

7.3.2不同传输条件下的光强和相位影响165

7.4大气湍流下轨道角动量复用光束螺旋谱特性167

7.4.1轨道角动量复用光束螺旋谱理论167

7.4.2不同传输条件下的螺旋谱分析168

7.5大气湍流下轨道角动量复用光束误码率分析170

7.5.1轨道角动量复用光束误码率理论171

7.5.2不同传输条件下的误码率分析172

7.6大气湍流对轨道角动量复用光束影响的实验173

7.6.1实验原理173

7.6.2实验结果分析174

参考文献176

第8章涡旋光束叠加态的特性178

8.1引言178

8.2光栅法制备涡旋光束叠加态179

8.2.1理论分析179

8.2.2光栅叠加179

8.3相位法叠加制备双OAM光181

8.3.1理论分析181

8.3.2不同拓扑荷数的叠加涡旋光束特性分析183

8.4涡旋光束叠加干涉实验185

8.4.1实验设计185

8.4.2光栅法叠加的实验186

8.4.3光栅法叠加的结果与分析189

8.4.4相位法叠加的实验189

8.4.5相位法叠加的结果与分析191

参考文献193

第9章涡旋光束的检测194

9.1引言194

9.2利用坐标转换法分离检测OAM态195

9.2.1理论基础195

9.2.2不同拓扑荷数的叠加光场分布196

9.2.3基于坐标转换法的OAM态复用系统198

9.3利用光栅检测涡旋光轨道角动量199

9.3.1光栅的传输函数及其表示199

9.3.2涡旋光光场及其衍射200

9.3.3相位校正与fan-out技术201

9.3.4周期渐变光栅202

9.4干涉法检测涡旋光相位205

9.4.1涡旋光自身干涉检测法205

9.4.2双缝干涉检测法207

9.5衍射法检测涡旋光相位208

9.5.1三角形衍射检测法208

9.5.2方孔衍射检测法209

9.5.3单缝衍射检测法211

9.5.4圆孔衍射检测法212

参考文献214

第10章涡旋光束经光学系统的衍射特性216

10.1涡旋光束经马卡天线的衍射模型216

10.1.1马卡天线结构216

10.1.2马卡天线衍射模型217

10.2涡旋光束经马卡天线光学系统的衍射特性分析219

10.2.1衍射光场模型219

10.2.2衍射光斑和相位分布220

10.2.3螺旋谱分布224

10.2.4马卡天线的发射效率226

10.3涡旋光束经孔径光阑的衍射特性分析227

10.3.1孔径光阑衍射理论模型227

10.3.2涡旋光束经孔径光阑的理论衍射分析229

10.3.3涡旋光束经孔径光阑的实验衍射图样分析232

10.3.4孔径光阑检测效果对比234

参考文献235

第11章大气湍流中部分相干涡旋光束阵列的传输特性236

11.1光束阵列的概述236

11.2大气湍流中径向部分相干涡旋光束阵列的光强分布238

11.2.1径向部分相干涡旋光束阵列的数学模型238

11.2.2观测平面上的交叉谱密度函数239

11.2.3观测平面上的光强表达式246

11.3Non-Kolmogorov湍流中光源参数对光强特性的影响248

11.3.1径向阵列参数影响分析248

11.3.2单个部分相干涡旋光束参数影响分析252

11.4Non-Kolmogorov湍流参数对光强特性的影响257

11.4.1Non-Kolmogorov湍流强度影响分析257

11.4.2Non-Kolmogorov湍流内外尺度影响分析260

参考文献263

第12章大气湍流中标量部分相干涡旋光束的传输特性264

12.1拉盖尔-高斯-谢尔涡旋光束基本理论264

12.1.1拉盖尔-高斯-谢尔光束265

12.1.2拉盖尔-高斯-谢尔涡旋光束模型267

12.1.3大气湍流中拉盖尔-高斯-谢尔涡旋光束传输理论267

12.2远场拉盖尔-高斯-谢尔涡旋光束相位奇点演化271

12.2.1相位奇点与拓扑荷数的关系271

12.2.2传输距离对相位奇点演化的影响273

12.2.3相关长度对相位奇点演化的影响274

12.3大气湍流中拉盖尔-高斯-谢尔涡旋光束的光强分布276

12.3.1大气湍流强度对光强分布的影响276

12.3.2大气湍流内外尺度对光强分布的影响278

12.4大气湍流中拉盖尔-高斯-谢尔涡旋光束的光束扩展279

12.4.1光束扩展随光源参数变化分析279

12.4.2光束扩展随大气湍流强度变化分析283

参考文献284

第13章大气湍流中矢量部分相干涡旋光束的传输特性285

13.1矢量部分相干涡旋光束的偏振理论285

13.2大气湍流中矢量部分相干涡旋光束的交叉谱密度矩阵286

13.2.1强度和偏振度288

13.2.2偏振方向角289

13.3大气湍流中矢量部分相干涡旋光束的偏振度分布290

13.3.1光源参数对偏振度的影响290

13.3.2大气湍流对偏振度的影响294

13.3.3偏振度随传输距离的变化295

13.4大气湍流中矢量部分相干涡旋光束的偏振方向角分布297

13.4.1大气湍流对偏振方向角的影响297

13.4.2传输距离对偏振方向角的影响298

13.5偏振方向角检测拓扑荷数299

13.5.1远场衍射光场的偏振方向角模型299

13.5.2偏振方向角检测拓扑荷数的结果300

13.5.3光源参数对检测效果影响分析301

参考文献305

第14章涡旋光束信息交换306

14.1OAM涡旋光束拓扑荷数的灵活性306

14.1.1单束OAM光束的转换306

14.1.2OAM复用光束的转换307

14.2OAM涡旋光束信道重构原理308

14.2.1OAM光束信息交换308

14.2.2OAM光束模式切换310

14.3OAM复用涡旋光束解复用322

14.4OAM涡旋光束信道重构实验研究324

14.4.1OAM信息交换实验研究324

14.4.2三束OAM复用光束中两束信息交换实验研究327

14.4.3多束OAM复用光束中一束模式切换实验研究328

14.4.4交换两路多束OAM复用光束中一束模式相同信息不同的OAM光束实验研究330

14.4.5多束OAM复用光束中一束模式删除/添加实验研究332

参考文献333

内容摘要
本书主要围绕轨道角动量复用通信的关键技术：涡旋光束的产生、传输、检测及应用进行介绍。对一系列产生涡旋光束的方法进行了详细地描述和对比；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，可实现涡旋光束拓扑荷数的检测；介绍涡旋光束的在光通信中的应用及部分相干涡旋光束在大气湍流中的传输特性；介绍涡旋光束信息交换及信道重构。

精彩内容
本书主要围绕轨道角动量复用通信的关键技术：涡旋光束的产生、传输、检测及应用进行介绍。对一系列产生涡旋光束的方法进行了详细地描述和对比；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，可实现涡旋光束拓扑荷数的检测；介绍涡旋光束的在光通信中的应用及部分相干涡旋光束在大气湍流中的传输特性；介绍涡旋光束信息交换及信道重构。

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