湍流大气中涡旋光束的束宽扩展研究

"涡旋光束在湍流大气中的光束扩展" 涡旋光束是一种特殊的光束，具有独特的性质，其内部携带了轨道角动量（Orbital Angular Momentum, OAM），表现为光束中心的螺旋相位结构。在大气光学领域，研究光束在湍流大气中的传播特性是至关重要的，因为大气湍流会显著影响光束的质量和传播效率。本文重点探讨了涡旋光束在湍流大气中的光束扩展现象。 首先，涡旋光束在传输过程中，由于大气湍流的影响，其振幅和相位会出现随机波动，这会导致接收端的光强不均匀性，即光强起伏。同时，光束的形状也会发生变化，即所谓的光束扩展。这种扩展会降低光束的聚焦能力，影响光通信、激光指向和跟踪等应用的性能。 文章以低阶拉盖尔-高斯涡旋光束为研究对象，利用激光大气传输四维程序进行了数值模拟。这个程序能够精确地模拟光束在复杂环境中的传播情况。通过改变不同的参数，如传输距离、湍流强度、涡旋光束的拓扑荷数（决定了OAM的量级）、光束束腰半径（决定光束的集中程度）以及光波的波长，研究了这些因素对涡旋光束扩展的影响。 实验结果表明，传输距离的增加和湍流强度的增强会加剧涡旋光束的束宽扩展。这意味着在长距离传输或强湍流环境中，光束质量的保持变得更加困难。而涡旋光束的拓扑荷数越高，束腰越小，或者波长越长，光束抵抗大气湍流的能力越强，因此其束宽扩展受到的影响相对较小。这为设计抗湍流的光束传输系统提供了理论依据。 此外，研究还比较了涡旋光束与普通高斯光束在相同条件下的束宽扩展差异。通常，涡旋光束因其特殊的结构可能表现出不同于传统高斯光束的行为。例如，涡旋光束的OAM特性可能会使其在某些情况下展现出更好的传输稳定性。 该研究深入分析了涡旋光束在湍流大气中的传播特性，揭示了影响光束扩展的关键因素，并为优化光束传输方案提供了理论支持。未来的研究可能进一步探讨如何利用这些发现来设计更有效的光束稳定技术和大气通信系统。这些成果对于理解大气光学现象，尤其是大气湍流对光束传播的影响，以及发展长距离、高稳定性光通信技术具有重要意义。