1 江苏科技大学 理学院, 江苏 镇江 212000
2 浙江省光电探测材料及器件重点实验室, 浙江 宁波 315211
3 宁波大学 高等技术研究院, 浙江 宁波 315211
相较于单涡旋光束，涡旋阵列光束能够扩充信息的传输容量，研究其传输特性对其光通信应用具有重要意义。本文选取阶数为n的螺旋因斯-高斯(HIGn,n)模式，采用海上大气折射率变换的功率谱，模拟海面大气湍流。基于相位屏法研究了一维阵列涡旋光束在海面大气湍流中光强、相位、闪烁因子和质心漂移的变化情况。结果表明：（1）HIGn,n模式的闪烁因子和质心漂移标准差随湍流强度以及大气湍流内尺度的增加而增加；（2）n为奇数的HIGn,n模式的闪烁因子随着阶数的增大而减小，且高于n为偶数的HIGn,n模式；（3）阶数n>1的HIGn,n模式比LG0,1模式具有更好的稳定性；（4）阶数越高，HIGn,n模式的质心漂移标准差越小。其次，选取线性阵列涡旋光束（LAVBs）进行对比，研究得出虽然LAVBs比HIG光束具有更好的传输性能，但由于HIG光束具有独特的结构，故可适用于不同的应用场景。最后，分析了椭圆参量和椭圆环数对HIG模式传输的影响，结果表明适当地增大椭圆参量或椭圆环数有助于提高HIG模式的抗湍流能力。本文研究结果对涡旋光束的海上应用具有指导意义。
大气光学 螺旋因斯高斯模式 阵列涡旋光束 闪烁因子 湍流 atmospheric optics helical ince-gaussian mode array vortex beam scintillation index turbulence
华侨大学 信息科学与工程学院 福建省光传输与变换重点实验室，福建 厦门 361021
研究光束在海洋湍流中的传输特性尤为重要。为了更贴近实际情况，人工搭建了能控制水下湍流强度和盐度的装置来研究涡旋光束和高斯光束在水下湍流中的传输特性。结果表明：相比于未添加海盐的水下湍流，光束在增添海盐的水下湍流中传输光斑会更加弥散，光强会更弱。无论是强湍流还是弱湍流，m=2的涡旋光束在盐度为4.35‰的水下湍流中的闪烁因子都大于其在盐度为2.42‰的水下湍流中所对应的闪烁因子。另外，m=2的涡旋光束传输到相同的距离时，其闪烁因子随着水下湍流的盐度和强度的增大而增大。不同盐度条件下，m=2的涡旋光束的径向闪烁因子随径向距离的增大呈先减小后增大的变化趋势。另外，搭建了传输距离更长的实验装置，在20米的传输距离内，拓扑电荷m=2的涡旋光束的闪烁因子远高于高斯光束所对应的闪烁因子，且m=2的涡旋光束和高斯光束的闪烁因子都随着传输距离的增大而增大。
涡旋光束 水下湍流 闪烁因子 盐度 传输 vortex beam underwater turbulence scintillation index salinity propagation
华侨大学 信息科学与工程学院 福建省光传输与变换重点实验室，厦门 福建 361021
本文采用分步相位屏方法来仿真椭圆涡旋光束在海洋中的实际传输情况，并对椭圆涡旋光束在海洋湍流中的传输光强和闪烁因子进行了仿真。研究发现，椭圆涡旋光束在海洋传输过程中，光斑会发生明显的旋转，同时光斑会产生暗核且暗核个数与光束的拓扑荷数相等。一个拓扑荷数为m的相位奇点会分裂成m个拓扑荷数为1的相位奇点，并且海洋湍流越强，光斑受到的干扰越严重。研究还发现，在较弱的海洋湍流中，随着传输距离的增加，椭圆涡旋光束的闪烁因子会低于高斯光束和涡旋光束的闪烁因子，而且在远距离处拓扑荷数越大闪烁因子降低越明显，同时也发现，传播一段距离后涡旋光束的闪烁因子会低于高斯光束的闪烁因子。在较强湍流中，椭圆涡旋光束的闪烁因子会交叠在一起。对于不同强度的海洋湍流，随着均方温度耗散率的增大，椭圆涡旋光束的轴上点闪烁因子也增大。在同一传输距离处，束腰宽度越小的椭圆涡旋光束闪烁因子越小。
闪烁因子 数值模拟 椭圆涡旋光束 海洋湍流 传输特性 scintillation index the numerical simulation elliptical vortex beam oceanic turbulence propagation properties
华侨大学 信息科学与工程学院, 福建省光传输与变换重点实验室, 福建 厦门 361021
为了研究涡旋光束和高斯光束在水下湍流中的闪烁特性，搭建了一套含有水下湍流的实验系统，利用循环泵控制水槽内湍流的强弱，使用闪烁仪测量光束的闪烁因子.利用这套实验系统，详细研究了涡旋光束和高斯光束在水下传输时的闪烁因子.研究结果表明，涡旋光束和高斯光束的闪烁因子随着传输距离的增大而增大，并且随着水下湍流强度增大，涡旋光束和高斯光束对应的闪烁因子也越大.在12.6 m的传播距离内，拓扑电荷m=2的涡旋光束的闪烁因子远大于高斯光束的闪烁因子.另外，在不同强度的水下湍流中，拓扑荷数m=6的涡旋光束传播到5.4 m时，其径向闪烁因子都先减小然后再增大.此外，拓扑荷数m=6的涡旋光束经过一定距离的传播后，其闪烁因子低于拓扑荷数m=4的涡旋光束的闪烁因子.本文研究结果对探索涡旋光束在海洋湍流中的应用具有重要价值.
涡旋光束 水下湍流 闪烁因子 拓扑荷数 光强分布 Vortex beam Underwater turbulence Scintillation index Topological charge Light intensity distribution 光子学报
2019, 48(12): 1214004
华侨大学信息科学与工程学院, 福建省光传输与变换重点实验室, 厦门 福建 361021
采用分步相位屏方法仿真涡旋光束在海洋中的传输,并对涡旋光束在海洋湍流中传输的光强和闪烁因子进行仿真计算。研究发现,随着传输距离的增加,涡旋光束的光斑逐渐扩散开来,且中心暗斑也在逐渐消失。通过改变湍流相位屏参数模拟不同强度的海洋湍流,发现随着均方温度耗散率变大,或温度、盐度波动的相对强度变大,或单位质量液体中的湍流动能耗散率变小,涡旋光束的轴上点闪烁因子也会变大。当传输距离达到一定值时,涡旋光束的闪烁因子会逐渐低于高斯光束,且拓扑荷数越大闪烁因子降低得越明显。
光束传输与控制 闪烁因子 涡旋光束 海洋湍流 传输
