中强度湍流对LG光束传输影响研究

"涡旋光束在中强度湍流大气中的传输特性" 涡旋光束是一种特殊的光束，具有独特的拓扑性质，其光场中包含了旋转的相位结构，表现为螺旋形的光强分布，这使得它在光学通信、量子信息处理等领域有着广泛的应用。拉盖尔-高斯（Laguerre-Gaussian, LG）光束是涡旋光束的一种，它结合了拉盖尔多项式和高斯光束的特点，能够携带轨道角动量，这是其与其他光束不同的关键特征。 在中强度湍流的大气环境中，光束的传播特性会受到显著影响。大气湍流是由大气温度、压力和湿度不均匀导致的折射率变化，这会引起光束的随机散射和扭曲。在该研究中，利用分步傅里叶法和相位屏法进行了仿真模拟，这两种方法是研究大气光学中光束传播的常用工具。分步傅里叶法通过逐步计算光波的傅里叶变换来模拟光束在大气中的传播，而相位屏法则通过模拟大气湍流产生的相位扰动来反映光束的失真。 研究发现，LG光束的强度分布、相位分布以及螺旋谱在经过中强度湍流大气时会发生变化。具体来说，湍流会破坏LG光束的螺旋结构，导致光束的拓扑荷发生变化，进而影响其传输效率。拓扑荷是描述涡旋光束旋转相位特性的参数，数值越大，光束的螺旋结构越复杂，因此受大气湍流影响也越大。此外，折射率结构常数是表征大气湍流强度的一个重要参数，其值越大，湍流效应越强，对光束传输的干扰也更显著。 研究还对比了水平通信链路和上下行通信链路中LG光束的传输差异。上下行链路中，光束需要穿过大气层的厚度不同，因此，由于大气湍流的影响，光束在上下行路径上受到的扭曲和衰减可能会有所减轻。这一发现对于设计大气通信系统，特别是卫星通信和地面站之间的长距离传输，有着重要的指导意义。 这项研究揭示了大气湍流对LG光束传输特性的影响，为优化大气环境下的光通信系统提供了理论依据。未来的研究可能需要进一步探讨如何减少这种影响，以提高光通信的稳定性和可靠性，比如通过动态调整光束参数或采用抗湍流编码技术等手段。