作者单位
摘要
西安理工大学自动化与信息工程学院,陕西 西安 710048
阵列光束在大功率激光合成、远距离通信、高质量输出等方面发挥着重要作用。本文利用相位屏法模拟海洋湍流,研究了径向阵列涡旋光束与矩形阵列涡旋光束在具有外尺度的不稳定分层海洋中的传输特性,并将其与单涡旋光束的传输特性进行了对比,分析了三种涡旋光束在海洋湍流中的光强与相位分布。结果表明:两种阵列涡旋光束传输一段距离后不再保持初始的阵列分布,子光束之间会相互影响,产生了干涉条纹。在相同的条件下,单涡旋光束的漂移比两种阵列涡旋光束大,束宽比两种阵列涡旋光束小,而且径向阵列涡旋光束的漂移比矩形阵列涡旋光束大,束宽比矩形阵列涡旋光束小。在较远距离处,单涡旋光束的闪烁指数比两种阵列涡旋光束大,而且矩形阵列涡旋光束的闪烁指数比径向阵列涡旋光束大;在较强湍流和远距离处,三种涡旋光束的束宽逐渐减小。
光通信 阵列涡旋光束 闪烁指数 湍流相位屏 海洋湍流 光束漂移 
中国激光
2024, 51(8): 0806001
作者单位
摘要
1 西安理工大学 自动化与信息工程学院,西安 710048
2 西安市无线光通信和网络研究重点实验室,西安 710048
3 陕西理工大学 物理与电信工程学院,汉中 723001
4 山东高等技术研究院,济南 250100
5 中国科学院西安光学精密机械研究所,西安 710119
采用功率谱反演法模拟了同轴叠加产生的双拉盖尔-高斯涡旋光束(Double Laguerre-Gaussian Vortex Beam,DLGVB)在海洋湍流中传输时的光强和相位分布,仿真分析了DLGVB光束在不同海洋湍流参数下的闪烁指数以及在基于开关键控调制的水下光通信系统中的通信误码率。结果表明,随着湍流动能耗散率的减小,盐度温度波动平衡参数、温度方差耗散率及传输距离的增加,闪烁指数逐渐增加;随着湍流动能耗散率以及拓扑电荷差值的增加,误码率减小。在海洋湍流环境下,使用DLGVB光束进行传输可以抑制海洋湍流带来的干扰,选择最佳的拓扑电荷差值,可以有效提高传输通信质量及通信系统容量。本文研究结果对涡旋光束及其叠加态在海洋湍流下传输特性研究及水下光通信系统持续扩容的发展需求方面具有重要的参考价值。
海洋湍流 双拉盖尔-高斯涡旋光束 拓扑电荷差值 闪烁指数 误码率 Ocean turbulence Double Laguerre-Gaussian vortex beams Topological charge difference Scintillation index Bit error rate 
光子学报
2024, 53(2): 0201002
Author Affiliations
Abstract
School of Information and Control Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China
Toroidal multipole is a special current distribution that has many different characteristics from electric multipole and magnetic multipole distributions. Because of its special properties, the toroidal dipole is a research hotspot in the field of metamaterials and nanophotonics. However, the low scattering of the toroidal dipole moment makes its excitation a challenging task. At present, there are relatively few studies on its specific engineering applications. In this paper, by slotting in the rectangular cavity, the excitation of an equivalent toroidal dipole is successfully achieved over a wide frequency range of 53–58 GHz. Results indicate that under the action of the toroidal dipole, the TE10 mode electromagnetic waves transmitted in the rectangular waveguide are converted into vector beams and are radiated outwards. Further adjusting the spatial distribution of the magnetic dipoles in the toroidal dipoles yields results that indicate that the resonance mode in the slot is still dominated by the magnetic toroidal dipole moment, and the electromagnetic waves radiating outward are vortex beams carrying vector polarization. The scattered energy of each dipole moment inside the antenna is calculated. This calculation verifies that the mass of the vector beam and vector vortex beam is closely related to the toroidal dipole supported by this antenna. The proposed structure can be applied to explorations in vortex filtering, in photon entanglement, and in the photonic spin Hall effect.
toroidal dipole vector beams vector vortex beams 
Chinese Optics Letters
2024, 22(1): 011601
王明军 1,2,3,*刘豪振 1张佳琳 1王姣 4,**
作者单位
摘要
1 西安理工大学自动化与信息工程学院,陕西 西安 710048
2 西安市无线光通信与网络研究重点实验室,陕西 西安 710048
3 陕西理工大学物理与电信工程学院,陕西 汉中 723001
4 陕西科技大学电子信息与人工智能学院,陕西 西安 710021
海洋湍流和光源参数对涡旋光束的信道容量有十分重要的影响。本文根据Rytov近似理论,利用有限外尺度且不稳定分层的各向异性海洋湍流功率谱,并引入xy平面上的两个各向异性因子来研究完美涡旋(PV)光束、拉盖尔高斯(LG)光束和贝塞尔高斯(BG)光束在海洋湍流下的信道容量,数值模拟了束腰半径、接收孔径直径和海洋湍流参数等对三种光束信道容量的影响。数值结果表明:当传输距离在30~70 m时,较小束腰半径(小于4 mm)的PV或者LG光束可获得比BG光束更大的信道容量;但较大束腰半径(大于12 mm)的PV或者LG光束的信道容量却大于BG光束。此外,当束腰半径小于2 mm时,PV光束的信道容量要大于LG和BG光束,表明采用窄束腰半径(小于2 mm)的PV光束相比LG和BG光束可以增大光通信系统的信道容量。本文的研究结果对海洋环境中光通信光源参数的选择具有重要意义。
海洋光学 信道容量 各向异性海洋湍流功率谱 涡旋光束 
光学学报
2023, 43(24): 2401004
作者单位
摘要
1 长春理工大学光电测控与光信息传输技术教育部重点实验室,吉林 长春 130022
2 长春理工大学计算机科学技术学院,吉林 长春 130022
在自由光空间通信领域,使用不同束腰半径组合的涡旋叠加光束可以在同一信道开销下传递更多信息。受大气湍流影响涡旋光束会发生相位扰动,进而影响其轨道角动量(OAM)模态识别。现有模型无法准确识别受随机大气湍流影响而发生扰动的OAM叠加光束模态。因此,提出一种基于注意力机制的深度学习识别方法。将注意力机制模块嵌入到VGG-16中,以提升模型对不同状态叠加光束模态的感知性能。另外为模拟湍流的真实状态,利用功率谱反演法模拟大气湍流,并使用次谐波补偿随机湍流屏的低频信息。同时,建立受到随机湍流影响发生相位扰动的OAM叠加光束数据集,利用该数据集训练所提模型。实验结果表明,在未知大气湍流强度条件下,对比传统方法,所提方法对OAM的识别准确率最高提升了4.46%。这表明了该模型对识别OAM叠加光束的有效性,以及良好的鲁棒性和较好的泛化能力,为识别OAM模态提供一种新的方法。
涡旋光束 轨道角动量 注意力机制 深度学习 大气湍流 
激光与光电子学进展
2023, 60(23): 2306003
作者单位
摘要
1 中国计量大学光学与电子科技学院,浙江 杭州 310018
2 中国计量大学太赫兹技术研究所,浙江 杭州 310018
超表面 矢量光束 涡旋光束 metasurfaces vector beams vortex beams 
光电工程
2023, 50(8): 230117
Lang Li 1,2,3Yingchi Guo 1,2,3Zhichao Zhang 1,2,3Zijun Shang 1,2,3[ ... ]Shiyao Fu 1,2,3,*
Author Affiliations
Abstract
1 Beijing Institute of Technology, School of Optics and Photonics, Beijing, China
2 Ministry of Education of the People’s Republic of China, Key Laboratory of Photoelectronic Imaging Technology and System, Beijing, China
3 Ministry of Industry and Information Technology of the People’s Republic of China, Key Laboratory of Information Photonics Technology, Beijing, China
As an inherent degree of freedom, total angular momentum (TAM) of photons consisting of spin angular momentum and orbital angular momentum has inspired many advanced applications and attracted much attention in recent years. Probing TAM and tailoring beam’s TAM spectrum on demand are of great significance for TAM-based scenarios. We propose both theoretically and experimentally a TAM processor enabling tunable TAM manipulation. Such a processor consists of a set of quasi-symmetric units, and each unit is composed of a couple of diffraction optical elements fabricated through polymerized liquid crystals. Forty-two single TAM states are experimentally employed to prove the concept. The favorable results illustrate good TAM state selection performance, which makes it particularly attractive for high-speed large-capacity data transmission, optical computing, and high-security photon encryption systems.
vortex beams orbital angular momentum spin angular momentum total angular momentum tailoring 
Advanced Photonics
2023, 5(5): 056002
作者单位
摘要
成都信息工程大学 光电工程学院, 四川 成都 610225
为了分析和研究Cosh-Pearcey-Gaussian涡旋 (CPeGV)光束的传播特性,通过皮尔斯积分式得到了CPeGV光束传播的一般表达式,推导出CPeGV光束在单轴晶体中传播的解析式。详细研究了CPeGV光束在单轴晶体中传播时的纵向和横向坡印廷矢量和角动量密度(AMD)。探讨了双曲余弦参数、拓扑电荷和传播距离对CPeGV光束传播特性的影响。研究结果表明:与PeG光束相比,CPeGV光束的调制自由度更高。较大的双曲余弦调制参数可以控制能量沿横向坡印廷矢量方向传递,从而不仅可以改变能量分布也可以使AMD峰值变大。在远场,CPeGV光束的纵向坡印廷矢量随着双曲余弦参数的增大会从抛物线形状分离为四个波瓣的分布形状。而拓扑电荷会影响远场抛物线形状中暗区的数量。本文研究将有助于更好地理解 CPeGV光束在单轴晶体中的传播特性,并有助于信息传输和存储的应用。
Cosh-Pearcey-Gaussian涡旋光束 坡印廷矢量 角动量密度 单轴晶体 Cosh-Pearcey-Gaussian vortex beams Poynting vector angular momentum density uniaxial crystals 
中国光学
2023, 16(1): 193
作者单位
摘要
1 内江师范学院 物理与电子信息工程学院,四川 内江 641000
2 长沙学院 电子信息与电气工程学院,长沙 410003
3 桂林电子科技大学 电子工程与自动化学院,广西 桂林 541004
目前,具有螺旋相位波前和环状光强分布的涡旋光束已在光学领域获得了广泛应用,其产生与调控自然成了研究的热点。利用三维粒子模拟程序对双色拉盖尔高斯激光驱动固体等离子激发同时携带自旋角动量与轨道角动量的高次谐波的物理过程进行了研究,根据高次谐波产生过程中的光子能量与角动量守恒定律对其内在物理机制进行了理论分析,并讨论了对谐波阶次、偏振态(自旋角动量)以及拓扑荷数(轨道角动量)进行调控的方法。研究结果为开发高亮度、超短超快、短波长、自旋与轨道角动量可调控的涡旋光束辐射源提供了理论依据,在光学微操控、超分辨成像、光通信以及离子加速等领域具有较大的实际应用前景。
涡旋光束 拉盖尔高斯激光 自旋角动量 轨道角动量 高次谐波 vortex beams Laguerre-Gaussian lasers spin angular momentum orbital angular momentum harmonic radiation 
强激光与粒子束
2023, 35(5): 051003
作者单位
摘要
西安电子科技大学 物理学院,西安 710071
结合角谱展开方法和矢量势方法,推导了拉盖尔高斯涡旋光束在石墨烯表面反射后的电磁场分量显式表达式。分析了光束的入射角和拓扑荷数,以及石墨烯-衬底系统的费米能量和磁场对涡旋光束在石墨烯表面反射后局域动力学特性的影响。数值结果表明,石墨烯表面反射涡旋光束的能量、动量、自旋/轨道角动量密度分布随着光束入射角和拓扑荷数的变化发生显著变化。同时,改变石墨烯-衬底系统的费米能量和磁场可以有效调节反射涡旋光束的局域动力学特性。为基于涡旋光束局域动力学特性对石墨烯的表征以及基于石墨烯对涡旋光束的调控奠定了理论基础。
涡旋光束 石墨烯 能量 动量 自旋角动量 轨道角动量 Vortex beams Graphene Energy Momentum Spin angular momentum Orbital angular momentum 
光子学报
2023, 52(2): 0213003

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