涡旋波束携带的轨道角动量(OAM)模态在通信容量提高、同时同频多路信息调制等领域具有重要的应用前景,但涡旋波束经复杂介质环境后会造成波束场幅度和相位扰动,进而引起信道串扰、高误码率等问题。基于ResNeXt网络,提出了一种基于实测涡旋波束扰动场的图像,识别扰动场OAM谱分布的方法。以涡旋贝塞尔波束入射玻璃板的实验图像为例,利用所提方法进行OAM谱识别,对于不同入射方向情况下的场幅度图像,通过优化后的ResNeXt网络获得了透射场的OAM谱分布结果,对识别结果进行谱分布重构,并与数值计算结果进行对比,分析误差。结果表明,优化后的ResNeXt网络可以有效地识别出穿过玻璃介质之后的入射角为0°~45°的贝塞尔波束的透射场OAM谱分布,由于谱分布的弥散程度随着入射角度的增大而增大,与理论计算结果相比,主模相对误差亦随角度的增大而增大,但最大不超过22.86%。

涡旋光束在大气中传输时的湍流效应导致其轨道角动量发生串扰,传输质量下降。为了有效减小光波在大气传输中的湍流影响,探索减缓湍流效应的措施,利用螺旋谱分析理论,研究了各向异性非Kolmogorov大气湍流及光束参数对聚焦贝塞尔光束的螺旋谱展宽和接收功率的影响。结果表明,光束的波长、拓扑荷数、束腰半径、宽度参数以及湍流的强度、各向异性程度、内外尺度均会对接收功率产生影响。通过多层相位屏模拟法对比研究了聚焦与准直贝塞尔光束的螺旋谱分布情况,分析得出聚焦贝塞尔光束的接收功率更高、串扰功率更低。

以加载QPSK调制信号的轨道角动量(OAM)光束为传输载波, 以多个相位屏模拟大气湍流, 研究不同大气湍流强度下OAM复用态的串扰情况。通过对复用光束光强和相位研究, 得出在OAM复用态光强受到湍流影响时会发生明显的闪烁现象, 光功率分散, 相位发生旋转弯曲, 且湍流强度越大, 受到的影响越大。选用螺旋谱分析不同湍流强度下各OAM复用态之间的弥散程度, 当大气湍流强度增加时, OAM态之间的弥散程度增加, 且较强湍流会导致OAM复用态失真。同时, 考虑OAM复用态之间的模式串扰以及每路携带信息的OAM态因大气信道引起的混合噪声而造成的码间干扰, 对比研究了不同大气湍流强度下系统误码率随传输距离的变化, 结果表明: 系统误码率随传输距离的增长而增大, 强湍流之下光束误码率会随着传输距离增长到一定程度后趋于平稳, 弱湍流之下光束误码率会随着传输距离的增长而增大。

大气湍流引起大气折射率随机变化, 导致空间不均匀性。高阶贝塞尔光束在大气湍流中传输时, 空间不均匀性会使光子波函数改变,形成不同的光子态引起轨道角动量的弥散。在Rytov近似下，计算了高阶贝塞尔光束在大气斜程传输中各分量所占光束总能量的权重。讨论并对比折射率结构常数，光束波长，天顶角，轨道角动量数，接收孔径和光斑大小等参数对螺旋谱的影响，并给予相应的物理解释。结果表明：随着折射率结构常数，天顶角和传输距离的增加以及光束波长的减小，螺旋谐波主分量对应的谱减小，轨道角动量弥散越大,而且望远镜接收孔径和光斑大小对轨道角动量弥散的影响非常小。

光束轨道角动量的本征态可实现高维量子信息的传输,将此特性用于信息的编码, 可以提高数据编码的密度。 提出了对八台阶结构相位编码的方法,根据相位旋转角的不同,来控制入射光束的相位延迟,进而实现相位 信息的编码。讨论了基模高斯光束经过不同台阶后的螺旋谱分布,通过阵列功率探测器检测特定编码台阶结 构对应的螺旋谱,区分不同的编码数据态,实现相位信息的解码。每个存储单元理论上可编码24 bits数据信息,是四台阶结构编码信息的3倍。

根据菲涅耳衍射积分和拉盖尔高斯光束场强分布，对拉盖高斯光束中的圆孔衍射、单缝衍射和方孔衍射进行了研究，并分析了拉盖高斯光束的相位结构对光束衍射后场分布的影响。拉盖高斯光束的相位奇点落在衍射孔中心时，由螺旋谱计算出拉盖高斯光束通过单缝和方孔衍射后的轨道角动量的弥散程度，从理论上证明了拉盖尔高斯光束通过圆孔衍射后，轨道角动量不发生弥散。

根据菲涅耳衍射积分,研究了拉盖尔高斯光束经过单缝衍射后的光强分布。研究表明,拉盖尔高斯光束经过单缝后衍射条纹会发生断层和弯曲,弯曲的方向和程度跟拓扑电荷数紧密相关。实验结果也证实了这一现象。还研究了拉盖尔高斯光束经过单缝后的螺旋谱。研究表明,单缝的存在会使螺旋谱展宽,展宽程度受到拓扑电荷数、光斑大小以及单缝缝宽的影响。