实验研究了光轨道角动量(OAM)光束的短距离自由空间传输特性。在实验装置中使用数字微镜器件(DMD)产生 OAM光束, 传输距离为室内 0～50 m。在接收端使用空间光束模场分析仪测量传输后的 OAM光束光强分布, 实验研究了不同传输距离下 OAM光束的模场展宽效应, 并通过干涉法研究了传输对 OAM光束相位分布特性的影响。在接收端使用一个单路 Sagnac干涉仪对传输后 OAM光束的各阶模式进行分离检测, 实验研究了不同距离下传输导致的 OAM光束能量从产生的模式向临近各阶模式的迁移再分配。使用局部加热的方法模拟较强的大气湍流扰动, 实验研究了较强湍流对 OAM光束模式特性的影响。实验结果表明, 在湍流扰动下, OAM光束的拓扑荷值越大传输后模式纯度的劣化越严重。

推导出有初始相位分布的径向洛伦兹阵列光束在自由空间传输的解析公式, 用以研究相干合成光束在自由空间的传输特性。结果表明:在远场, 具有不同相位分布的光束光强剖面成为空心形状, 具有相同相位分布的光束光强剖面中心为亮斑。合成光束束宽和桶中功率与子光束束腰宽度、径向阵列的初始相位分布和半径有关。对所得结果用数值计算例做了说明。当阵列半径较大和束腰宽度较小时, 具有不同相位分布和相同相位的光束束宽随传输距离的变化曲线和桶中功率都趋于一致。

对傍轴近似下的光束传输变换问题进行了广泛的研究.但是,当光束有大的发散角或与波长相比拟的小光斑尺寸时,傍轴近似不再成立.已发展了多种非傍轴方法用以研究非傍轴光束的传输问题.对非傍轴光束的研究方法作了总结,使用角谱表示法和瑞利衍射积分公式对非傍轴矢量高斯光束的传输作了分析和比较.结果表明,基于瑞利衍射积分公式推导出的非傍轴矢量高斯光束在自由空间传输的解析公式在传输距离远大于波长时是严格的解析结果,并且在有光阑的情况下也是适用的.光束的非傍轴性主要由f参数决定,但当有光阑存在时,截断参数也对光束非傍轴行为产生影响.

引入了矢量非傍轴双曲余弦-高斯(ChG)光束概念.使用矢量瑞利-索末菲衍射积分公式推导出了矢量非傍轴ChG光束在自由空间传输的解析公式.矢量非傍轴ChG光束轴上和远场的解析式以及傍轴结果作为一般传输公式的特例给出.研究表明,对矢量非傍轴ChG光束,其非傍轴性主要由f参数决定,但偏心参数会影响其横向光强剖面形状和非傍轴行为.

基于部分相干光的传输定律,研究了多色高斯-谢尔模型光束在自由空间中传输的光谱变化.研究表明,在近场会有光谱分裂出现,光谱分裂与光源的空间相干性和源光谱的谱宽以及位置参数有关.对结果作了分析,并用数值计算作了说明.

从瑞利-索末菲衍射积分出发,推导出任意阶非傍轴贝塞尔-高斯光束在自由空间传输的解析表达式.非傍轴贝塞尔光束和非傍轴高斯光束等的传输方程都可以作为本文一般结果的特例而得出.物理分析和数值计算表明,当高斯和贝塞尔部分的横向尺度与波长相比拟或小于波长时,应当用非傍轴方法处理.

用矩阵方法研究了有扭曲的各向异性高斯-尔模型(AGSM)光束通过自由空间的传输.给出了光束参数的解析传输公式和详细数值计算结果,说明AGSM光束的传输特性以及扭曲因子和空间相关长度的影响.

对超短脉冲贝塞尔光束在近轴近似和非近轴情况下自由空间中的传输作了研究.结果表明,其空间波形在传输中保持贝塞尔形状不变,不受非近轴效应影响;然而当空间参数较大时,非近轴效应影响超短脉冲贝塞尔光束的时间波形.