●前言
第1章緒論1
1.1光學渦旋1
1.2軌道角動量復用通信繫統2
1.2.1背景與意義2
1.2.2軌道角動量復用技術原理4
1.2.3軌道角動量復用通信繫統模型4
1.3渦旋光束的產生5
1.3.1空間產生法5
1.3.2光纖產生法7
1.3.3渦旋光束產生方法的對比7
1.4渦旋光束的傳輸特性8
1.4.1大氣湍流效應8
1.4.2光束傳輸特性研究方法9
1.4.3渦旋光束的傳輸特性研究進展10
1.5相位恢復11
1.5.1傳統自適應光學校正技術11
1.5.2無波前傳感器的自適應光學校正12
1.5.3渦旋光束相位畸變校正13
1.6渦旋光束的分離與檢測14
1.6.1叉形光柵14
1.6.2干涉特性14
1.6.3衍射特性16
1.6.4重構波前17
參考文獻18
第2章渦旋光束的空間產生法23
2.1渦旋光束的基本原理23
2.2幾種典型的渦旋光束24
2.2.1LG光束25
2.2.2貝塞爾光束27
2.2.3HG光束27
2.3常用的空間產生法28
2.3.1計算全息法28
2.3.2幾何模式轉換法30
2.3.3螺旋相位板法31
2.3.4空間光調制器法33
2.3.5光波導器件轉化法33
2.4高階徑向LG光束34
2.5分數階渦旋光束的產生37
2.5.1全息法制備LG光束的原理37
2.5.2分數階LG光束軌道角動量的實驗研究39
參考文獻42
第3章渦旋光束的光纖產生法44
3.1引言44
3.2光纖模式理論44
3.2.1波動方程44
3.2.2光纖中的矢量模式45
3.2.3導模截止與遠離截止49
3.2.4弱導近似下的標量模52
3.2.5利用光纖產生渦旋光原理分析54
3.3光纖產生渦旋光的影響因素分析56
3.3.1入射波長對渦旋光產生的影響56
3.3.2光纖內外折射率差對渦旋光產生的影響57
3.3.3光纖纖芯半徑對渦旋光產生的影響59
3.3.4入射角度對渦旋光激發效率的影響60
3.3.5離軸入射光纖對渦旋光產生的影響62
3.4利用少模光纖產生渦旋光的實驗63
3.4.1利用少模光纖產生渦旋光的原理63
3.4.2渦旋光的激發效率分析64
3.4.3實驗研究65
3.4.4相位驗證68
3.5改變光纖結構產生渦旋光69
3.5.1結構設計69
3.5.2低折射率層對OAM模式的影響71
參考文獻73
第4章高階徑向指數拉蓋爾—高斯光束的疊加特性75
4.1引言75
4.2徑向指數和拓撲荷數對高階徑向LG光束疊加態的影響75
4.2.1拓撲荷數相同的LG光束干涉疊加76
4.2.2徑向指數相同的LG光束干涉疊加78
4.2.3任意徑向指數、拓撲荷數的LG光束干涉疊加81
4.3傳輸距離對高階徑向LG光束疊加態的影響82
4.4束腰半徑對高階徑向LG光束疊加態的影響83
4.5離軸參數對高階徑向LG光束疊加態的影響85
4.6高階徑向LG光束疊加態的實驗87
4.6.1實驗裝置87
4.6.2全息圖的產生87
4.6.3實驗結果分析89
參考文獻93
第5章渦旋光束的傳輸特性94
5.1引言94
5.2LG光束在大氣湍流中的傳輸94
5.2.1理論分析94
5.2.2LG光束經大氣湍流斜程信道時的傳輸特性97
5.3BG光束在空間中的傳輸104
5.3.1BG光束在湍流中傳輸理論104
5.3.2BG光束經大氣湍流信道時的特性105
5.4渦旋光束斜程傳輸時軌道角動量的穩定性研究109
5.4.1渦旋光束的光強分布對比109
5.4.2渦旋光束的各諧波分量對比111
5.5單模和多模復用渦旋光束在大氣湍流中的傳輸116
5.5.1單模渦旋光束在大氣湍流中的傳輸116
5.5.2多模復用渦旋光束在大氣湍流中的傳輸118
5.6渦旋光束的軌道角動量120
5.6.1軌道角動量譜分解120
5.6.2拓撲荷數擴展121
5.6.3軌道角動量模式純度123
參考文獻124
第6章自適應光學校正技術126
6.1引言126
6.2自適應光學基本原理126
6.2.1自適應光學校正技術126
6.2.2SH算法128
6.2.3相位恢復算法129
6.2.4隨機並行梯度下降算法131
6.3OAM光束通過大氣湍流後的波前校正133
6.3.1相位恢復算法133
6.3.2隨機並行梯度下降算法136
6.4實驗研究138
6.4.1相位恢復算法138
6.4.2隨機並行梯度下降算法140
參考文獻144
第7章大氣湍流下軌道角動量復用繫統串擾分析145
7.1引言145
7.2軌道角動量光束在大氣湍流中的傳輸理論147
7.2.1多相位屏傳輸法147
7.2.2隨機相位屏的產生147
7.2.3大氣湍流下軌道角動量復用光束串擾的產生148
7.3大氣湍流中軌道角動量復用光束光強相位分析149
7.3.1軌道角動量復用光束的形成149
7.3.2不同傳輸條件下的光強和相位影響151
7.4大氣湍流下軌道角動量復用光束螺旋譜特性152
7.4.1軌道角動量復用光束螺旋譜理論153
7.4.2不同傳輸條件下的螺旋譜分析153
7.5大氣湍流下軌道角動量復用光束誤碼率分析156
7.5.1軌道角動量復用光束誤碼率理論156
7.5.2不同傳輸條件下的誤碼率分析157
7.6大氣湍流對軌道角動量復用光束影響的實驗158
7.6.1實驗原理159
7.6.2實驗結果分析160
參考文獻161
第8章渦旋光束疊加態的特性163
8.1引言163
8.2光柵法制備渦旋光束疊加態164
8.2.1理論分析164
8.2.2光柵疊加164
8.3相位法疊加制備雙OAM光166
8.3.1理論分析166
8.3.2不同拓撲荷數的疊加渦旋光束特性分析168
8.4渦旋光束疊加干涉實驗170
8.4.1實驗設計170
8.4.2光柵法疊加的實驗171
8.4.3光柵法疊加的結果分析174
8.4.4相位法疊加的實驗174
8.4.5相位法疊加的結果與分析177
參考文獻178
第9章渦旋光束的檢測179
9.1引言179
9.2利用坐標轉換法分離檢測OAM態180
9.2.1理論基礎180
9.2.2不同拓撲荷數的疊加光場分布182
9.2.3基於坐標轉換法的OAM復用繫統183
9.3利用光柵檢測渦旋光軌道角動量184
9.3.1光柵的傳輸函數及其表示184
9.3.2渦旋光光場及其衍射185
9.3.3相位校正與fan-out技術186
9.3.4周期漸變光柵188
9.4干涉法檢測渦旋光相位191
9.4.1渦旋光自身干涉檢測法191
9.4.2雙縫干涉檢測法192
9.5衍射法檢測渦旋光相位194
9.5.1三角形衍射檢測法194
9.5.2方孔衍射檢測法195
9.5.3單縫衍射檢測法196
9.5.4圓孔衍射檢測法198
參考文獻199
第10章渦旋光束軌道角動量信息編解碼201
10.1引言201
10.2渦旋光束軌道角動量相位信息編碼202
10.2.1四臺階QSS相位信息編碼和解碼原理202
10.2.2八臺階QSS相位信息編碼和解碼原理207
10.3混合渦旋光場軌道角動量編解碼211
10.3.1HzG光軌道角動量211
10.3.2單光束動態全息圖軌道角動量編碼212
10.3.3多光束靜態全息圖軌道角動量編解碼213
10.3.4改進的單渦旋光束軌道角動量數據編解碼214
10.4光軌道角動量量子通信編碼217
參考文獻220
第11章渦旋光束經馬卡天線的衍射特性222
11.1引言222
11.2馬卡天線衍射模型222
11.3LG光束經馬卡天線的衍射特性224
11.3.1衍射場分析225
11.3.2螺旋譜分析228
11.4馬卡天線性能分析230
參考文獻231

本書主要圍繞軌道角動量復用通信的關鍵技術，對渦旋光束的產生、傳輸、檢測及應用進行介紹，主要包括對一繫列產生渦旋光束的方法進行詳細的描述和對比；以拉蓋爾-高斯光束和貝塞爾-高斯光束為例，介紹它們在大氣湍流中的傳輸特性；利用渦旋光束的疊加態、干涉、衍射及光柵，實現渦旋光束拓撲荷數的檢測；介紹渦旋光束在光通信中的應用。