以经过圆形孔径截断的 Bessel涡旋光束和Bessel-Gauss涡旋光束为例,数值模拟了近似无衍射涡旋光束在湍流大气中传输时引起的光束扩展和畸变光场中相位奇点的变化。仿真结果表明,与Bessel涡旋光束相比,Bessel-Gauss涡旋光束由大气湍流引起的束宽扩展较小,且在一定条件下其相位奇点代数和与入射涡旋光束的拓扑荷数保持一致;在远距离传输时,Bessel-Gauss涡旋光束相位奇点代数和的起伏偏差远小于Bessel涡旋光束。 Bessel-Gauss涡旋光束在自由空间光通信中作为信息载体具有较大的优势。

利用激光大气传输四维程序数值模拟了激光在湍流大气中上行和下行传输时产生的相位奇点的变化过程。由模拟结果可知, 当光束自地面向空中垂直上行传输时, 相位奇点数密度随传输高度的变化有一个从无到有、从快速增加到缓慢增加、达到峰值后又减小的过程; 湍流越强, 畸变光场中产生的相位奇点数密度越大, 达到的峰值越高, 且达到峰值后减小的幅度也越大, 但达到峰值时对应的传输高度越低; 当激光自空中某一位置垂直下行传输时, 相位奇点数密度随传输距离的增加有一个从无到有、从缓慢增加到快速增加且在接近地平面处急剧增加的过程。另外, 通过对模拟结果的曲线拟合发现, 激光在湍流大气中上行传输时产生的相位奇点数密度与传输高度的关系符合黑体辐射公式; 当激光在湍流大气中下行传输时, 相位奇点数密度随传输距离的增加呈指数增加。

涡旋光束在湍流大气中传输时，其振幅和相位会发生随机起伏，导致在接收平面处的光强起伏及光束扩展等。以低阶拉盖尔-高斯涡旋光束为例，利用激光大气传输四维程序数值模拟了不同条件下的涡旋光束在湍流大气中传输时引起的光束扩展。由模拟结果可知，传输距离越长或湍流越强，涡旋光束在大气中传输时的束宽扩展受湍流的影响越大；涡旋光束的拓扑荷数越高、光束的束腰越小或光波的波长越长，其束宽扩展受大气湍流的影响越小。湍流的内尺度和外尺度也会影响涡旋光束的光束扩展，但影响程度相对较小。另外，通过计算仿真还比较了涡旋光束和普通高斯光束在湍流大气中传输时引起的光束扩展的差异。