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提出一种基于光学亮环晶格进行空间光信息编码通信的方法。基于面向目标的计算全息术,生成4种简单模式的光学亮环晶格对应的计算全息图,并将其加载在反射式空间光调制器(SLM)上,SLM调制入射光,直接重建4种简单模式的光学亮环晶格。4种光学亮环晶格模式对应4个不同的四进制数,易于识别,通过光学亮环晶格模式的组合完成一幅32 pixel×56 pixel的256阶灰度图的编码与空间传输。距离发射端2 m处的电荷耦合器件(CCD)接收光学亮环晶格图像并通过计算机对数据进行解码,可以在部分干扰情况下,无差错地恢复原始图像信息。在此基础上,实验拓展单个光学亮环晶格至2×2和4×4阵列,传输效率和系统容量提升了4倍和16倍。本研究成果为光学亮环晶格的编码通信研究提供了理论和实验依据。

理论上提出并实验制备了一种环形阵列艾里涡旋光束(CAAVB),该CAAVB由按环形阵列分布的多个艾里光形成,并具有自聚焦特性。通过增加艾里光阵列数,能够有效提高自聚焦光束的光场强度。仿真结果表明,在相同的条件下,加载光学涡旋能明显提高CAAVB的自聚焦特性。此外,通过调节环形艾里光阵列的半径来改变光束聚焦的位置,实现对焦距的非机械调节。

轨道角动量(OAM)是具有螺旋相位的光束的自然属性,且不同拓扑荷的OAM光束之间相互正交。利用OAM光束的这种特性,可以把OAM光束作为一种新的信息载体应用到复用技术之中。OAM复用技术在不需要额外带宽的情况下可以极大提升信道容量和频谱效率。光纤作为一种优良的传输介质,是现代通信网络中的首选,基于光纤传输的OAM复用技术引起了研究者的广泛关注。介绍了轨道角动量的基本原理,讨论了适于携带OAM光束传输的光纤、OAM光束的生成与检测方法、OAM复用技术相关器件及其复用系统实验等方面的研究进展,最后探讨了现有技术存在的问题和发展趋势。

采用随机相位屏仿真方法模拟了各向异性大气湍流及贝塞尔高斯涡旋光束在其中的强度分布、在轴闪烁指数和抖动效应, 分析了各向异性湍流参数和波源参数对涡旋光束传输质量的影响.结果表明, 在各向异性大气湍流中, 贝塞尔高斯涡旋光束的强度分布随传输距离的变化情况与离轴距离有关, 仅一级圆环处强度值单调递减, 其余次级圆环处强度值均呈现先增后降的趋势.在近距离处, 贝塞尔高斯涡旋光束的在轴闪烁指数随波形参数的增大而减小, 随光束宽度的增大呈现先上升后下降再上升的趋势, 该现象与贝塞尔高斯光束的光斑尺寸大小相关; 其抖动效应随波形参数、拓扑荷数量、波长和束腰半径的增大而减弱.但在远距离处贝塞尔高斯涡旋光束的闪烁效应和抖动效应随波形参数的影响与近距离处相反, 这与贝塞尔高斯光束的展宽突然增大的现象一致.贝塞尔高斯涡旋光束在各向异性湍流大气中的抖动效应小于在各向同性湍流大气中的情况, 并且在远距离处大于拉盖尔高斯涡旋光束的抖动效应.

将光学涡旋与计算全息技术相结合，提出一种高质量光学涡旋阵列的产生方法.从理论上研究了光学涡旋阵列的形成和分布特征，并模拟仿真产生涡旋光束阵列.基于面向目标的共轭对称延拓傅里叶计算全息方法编码生成光学涡旋阵列的全息图，利用单个反射式空间光调制器光电再现了与理论一致的光学涡旋阵列，并通过马赫-增德尔干涉法对生成的光学涡旋阵列进行验证.产生的高质量光学涡旋阵列提供了更复杂的结构分布和更多的可控参量，且实验光路易实现.研究结果在光学微操控、光通信等领域具有潜在应用价值.

提出了一种基于奇偶模初始相位差因子调控的新型Ince-Gaussian(IG)光束, 即PIG(Ince-Gaussian beam with phase difference)光束。对传统IG光束偶模施加具有初始相位差φ的e指数相位因子, 将偶模与奇模进行线性叠加后得到了PIG光束。在其他参数相同的条件下, 重点研究了初始相位差调控因子对PIG光束空间模式的调控特性。数值模拟和实验结果表明: 当参数φ在0到π区间上连续取值时, 可实现正负涡旋PIG光束的连续变换; 当φ=π/2时, 中间状态涡旋消失; 调节φ使其为π的整数倍, 可以实现正负涡旋模式的跳变切换; 当调节φ为π的半整数倍时, 该光束可实现光瓣在椭圆轨迹上的精确位移控制。PIG光束为微粒操纵及光束微雕刻等领域提供了额外的调控自由度。

设计了基于光学涡旋相移技术的离面位移测量实验方案, 实现了电子散斑干涉中相移的数字控制.该方法利用输入液晶空间光调制器中的叉形光栅产生涡旋光束, 通过涡旋光束绕轴的旋转产生相移;同时, 产生的涡旋光束又作为参考光与物光干涉.实验中, 在物体发生离面位移前后依次输入四幅叉形光栅, 产生相移步长为π/2的涡旋光束, 利用CCD获得涡旋光与物光的干涉光场, 从而获得离面位移场的包裹相位;再通过解包裹, 获得物体离面变形的相位变化.光学涡旋相移法可应用于离面位移测量.

数值模拟了拉盖尔-高斯涡旋光束在湍流大气中传输时的光强分布和光学涡旋的漂移。由模拟结果可知，当涡旋光束在湍流大气中传输时，光强分布由最初的环形结构变为平顶结构，最终在远场演化为高斯分布；光强廓线的演变过程与传输距离、湍流强度、湍流外尺度、涡旋光束拓扑荷数、束腰宽度以及光波长有关，与湍流内尺度无关。光学涡旋在接收面的不同位置处出现的频次满足高斯分布；随着传输距离的增加、湍流的增强或涡旋光束拓扑荷数的增加，光学涡旋的漂移范围增大且在不同位置处出现的频次偏离高斯分布；适当选择涡旋光束的束腰宽度会减小光学涡旋的漂移。

利用涡旋光束与锥透镜透射率函数设计相位掩模板，采用平面光照射写入相位掩模板的空间光调制器(SLM)，则在SLM的傅里叶平面上产生了完美涡旋光束，解决了傅里叶平面0级和±1级光谱重叠的问题。提出了一种完美涡旋光束的空间自由调控技术，通过实验分析，明确了空间调控位移与调控因子间的函数关系，调控精度达到了2.25 μm。通过在线调节锥透镜的锥角参数，实现了完美涡旋光束中心亮环半径的自由调控，并得到光束中心亮环半径与锥角的二次函数关系。将波长为532 nm和632.8 nm入射光产生的完美涡旋光束作对比，结果表明，当入射波长较长时，仍可得到较小半径的完美涡旋光束。该研究为完美涡旋光束在微粒操纵、光学信息编码、光学测量及基于轨道角动量的光纤通信等领域的应用提供了新思路。

光学涡旋是一类围绕光轴具有螺旋相位项的圆柱光学模式。近年来，光学涡旋因其在光学和光子学的许多领域具有重要潜在应用而引起了广泛关注，其可能应用范围包括光通信、光信息处理、成像传感和量子信息等。与基于自由空间光学的方法相比，集成光子学的发展为操纵光学涡旋提供了更为有效的方法。对使用集成光子器件操纵光学涡旋的理论框架和最新技术进展进行了全面综述。