为了研究海洋湍流对单光子捕获概率的影响,基于模厄米高斯光束和Nikishov海洋湍流模型,根据Rytov近似和Kolmogorov谱,推导出了海洋湍流环境下的单光子捕获概率模型,并对不同海洋湍流参数对单光子捕获概率的影响进行了分析。结果表明:在传播百米后,海洋湍流环境下的单光子捕获概率下降明显;随着温度方差耗散率的增大,单光子捕获概率降低;当盐度因素主导海洋湍流时,单光子捕获概率也随盐度的增大而降低,盐度变化对海洋湍流环境下的单光子捕获概率的影响显著。增大接收机孔径值与缩短脉冲间隔可以有效提升单光子捕获概率,但温度方差耗散率的增加和传输距离的减少会降低脉冲间隔对单光子捕获概率的影响。

单光子源通常采用基于高斯光束的高度衰减激光脉冲, 假设激光束具有初始高斯时域脉冲波形和TEM01模拉盖尔-高斯空域分布.基于折射率起伏的Rytov近似和修正von Karman谱模型, 研究了大气湍流对星地量子通信单光子捕获概率的影响; 建立了上行信道和下行信道的单光子捕获概率理论模型; 针对低轨卫星-地面站间激光链路, 对单光子捕获概率进行了分析.结果表明: 上行信道的单光子捕获概率强烈依赖于地面折射率结构常数C2n(0), 且随着C2n(0)的增加而减小; 然而, 下行信道的单光子捕获概率并不依赖于C2n(0), 即大气湍流对其没有影响.

单光子捕获技术是自由空间量子密钥分配的关键技术。单光子捕获概率是一个重要问题。基于厄米-高斯光束处于TEM20,TEM02,TEM30,TEM03及TEM11模式下的单光子捕获概率理论模型被建立,通过数值仿真给出厄米-高斯光束处于不同模式下单光子捕获概率的大小。以TEM10为例给出时间滤波的物理模型,将该模型与数值仿真结果相结合,分析在进行单光子捕获时需要被淘汰模式和最佳模式,并给出了TEM20模式下时间滤波的具体实现过程及其应用价值,从而达到对自由空间量子密钥分配系统的优化。

基于TEM₁₀模拉盖尔－高斯光束，推导自由空间量子密钥分配中单光子捕获概率表达式。针对低轨卫星－地面站间激光链路进行单光子捕获分析。结果表明：采用可高度衰减激光脉冲的TEM₁₀模拉盖尔－高斯光束作为单光子源，单光子捕获采用前驱波参考脉冲设置时间窗口的方法，可使卫星上接收机以最大概率捕获光子。与基模高斯光束相比，采用TEM₁₀模拉盖尔－高斯光束的优点是，不会由于卫星运动而增加单光子捕获概率的损耗。

建立了一种自由空间量子密钥分配的单光子捕获概率理论模型.基于基模高斯光束,推导了单光子捕获概率的表达式.得到影响单光子捕获概率的主要参量是发射机的跟瞄误差、光束远场发散角、发射机和接收机的链路距离和接收机天线孔径.针对低轨卫星-地面站间链路进行了数值仿真分析,得到单光子捕获概率一般在10-3～10-5量级.

从光波电磁场方程的TEM10和TEM01模厄米-高斯光束出发,推导了自由空间量子密钥分配的单光子捕获概率表达式.针对低轨卫星-地面站间激光链路,进行了单光子捕获分析.理论研究表明,对于低轨卫星-地面站间量子密钥分配,采用TEM10和TEM01模厄米-高斯型高度衰减激光脉冲作为单光子源是可行的.