在大气湍流斜程传输中拉盖高斯光束的轨道角动量的研究

柯熙政; 谌娟; 杨一明

doi:10.7498/aps.63.150301

摘要

大气湍流引起大气折射率随机变化，导致空间不均匀性. 拉盖高斯光束在大气湍流中传输时，空间不均匀性会使光子波函数改变，引起轨道角动量的变化. 本文讨论了拉盖尔高斯光束在大气斜程传输时，湍流介质改变光子轨道角动量而形成不同的光子态. 计算了螺旋谐波各分量所占光束总能量的权重，分析了拉盖高斯光束的轨道角动量的变化规律.

关键词:

Atmospheric turbulence can cause random variations of the refractive index, resulting in a spatial inhomogeneity. When a Laguerre-Gaussian beam is propagating through the atmospheric turbulence, spatial inhomogeneity can bring about the change of photon wave function that causes variations in the orbital angular momentum. This article discusses how turbulence media change the orbital angular momentum of photons as to form different photon states, when the Laguerre-Gaussian beam is propagating in a slant-path atmospheric turbulence, by calculating the weight of the spiral harmonic component of the beam energy. Analysis of the variations of orbital angular momentum of Laguerre-Gaussian beam in the turbulent medium has been carried out.

Keywords:

作者及机构信息

1.
西安理工大学自动化与信息工程学院, 西安 710048

基金项目: 国家自然科学基金（批准号：61377080，60977054）、陕西省13115科技统筹计划（批准号：2011KTCQ01-31）、陕西省教育厅产业化培育基金（批准号：2010JC17）、西安市科技成果转换基金（批准号：CX12165）、陕西省自然科学基础研究计划（批准号：2013JQ8011）、陕西省教育厅科研计划项目（批准号：2013JK1104）和陕西省工业攻关科技计划项目（批准号：2013K06-08）资助的课题.

Authors and contacts

1.
The Faculty of Automation & Information Engineering, Xi'an University of Technology, Xi'an 710048, China

Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 61377080, 60977054), the Shaanxi province 13115 Science and Technology Planning (Grant No. 2011KTCQ01-31), the Education Department of Shaanxi province Industrialization Development Fund (Grant No. 2010JC17), the Xi'an Science and Technology Achievement Transformation Fund (Grant No. CX12165), the Natural Science Basic Research Plan in Shaanxi Province of China (Grant No. 2013JQ8011), the Scientific Research Program Funded by Shaanxi Provincial Education Department (Grant No. 2013JK1104), and the Technology Projects of Industrial Research, Shaanxi (Grant No. 2013K06-08).

参考文献

[1]
[2]	Taro Hasegawa, Tadao Shimizu 1999 Opt. Commun. 160 103
[3]
[4]	Simpson N B, Allen L, Padgett M J 1997 Opt. Lett. 22 53
[5]
[6]	Simpson N B, Allen L, Padgett M J 1996 Journal of Modem Optics 43 2485
[7]
[8]	Gibson G, Courtial J, Padgett M J, Vasnetsov M 2004 Optics Express 12 5448
[9]	Terriza G M, Torres J P, Torner L 2002 Phys. Rev. Lett. 88 257901
[10]
[11]
[12]	Gibson G, Courtial J, Padgett M J 2004 Opt. Express. 12 5448
[13]
[14]	Paterson C 2005 Phys. Rev. Lett. 94 153901
[15]
[16]	Tiehui Su, Ryan P S 2012 Optics Express 20 9396
[17]
[18]	Liu Y D, Gao C Q 2008 Optics Communications 281 3636
[19]
[20]	Ke X Z, Lü H, Wu J Z 2008 Chinese Journal of Quantum Electronics 25 385 (in Chinese) [柯熙政, 吕宏, 武京治 2008 量子电子学报 25 385]
[21]	Lü L, Ke X Z 2010 Chinese Journal of Quantum Electronics 27 155 (in Chinese) [吕宏, 柯熙政 2010 量子电子学报 27 155]
[22]
[23]
[24]	Su Z K, Wang F Q, Lu Y Q, Jing R Q, Lang R S, Liu S H 2008 Acta Phys. Sin. 57 3017 (in Chinese) [苏志锟, 王发强, 路轶群, 金锐博, 梁瑞生, 刘颂豪 2008 物理学报 57 3017]
[25]	Dong Y M, Xu Y F, Zhang Z, Ling Q 2006 Acta Phys. Sin. 55 5755 (in Chinese) [董一鸣, 徐云飞, 张璋, 林强 2006 物理学报 55 5755]
[26]
[27]
[28]	Gao M W, He X Y, Li J Z, Wei G H 2004 Acta Phys. Sin. 53 413 (in Chinese) [高明伟, 何晓燕, 李家泽, 魏光辉 2004 物理学报 53 413]
[29]	Paterson C 2004 Optics in Atmospheric Propagation and Adaptive Systems VII, p187
[30]
[31]
[32]	Anguita J A, Neifeld M A 2007 OSA FWS 6 1
[33]	Anguita J A, Neifeld M A, Bne V V 2008 Applied. Opt. 47 2414
[34]
[35]	Rao R Z 2009 Chin. Phys. B 18 581
[36]
[37]	Zhang Y X, Zhao G Y, Xu J C, Cuang J 2009 WRI International Conference on Communications and Mobile Computing, February, 2009 p477
[38]
[39]	ITU-R. Document 3J/31-E, Radio-communication Study Group Meeting, Budapest 2001 206 277
[40]

施引文献

[1]
[2]	Taro Hasegawa, Tadao Shimizu 1999 Opt. Commun. 160 103
[3]
[4]	Simpson N B, Allen L, Padgett M J 1997 Opt. Lett. 22 53
[5]
[6]	Simpson N B, Allen L, Padgett M J 1996 Journal of Modem Optics 43 2485
[7]
[8]	Gibson G, Courtial J, Padgett M J, Vasnetsov M 2004 Optics Express 12 5448
[9]	Terriza G M, Torres J P, Torner L 2002 Phys. Rev. Lett. 88 257901
[10]
[11]
[12]	Gibson G, Courtial J, Padgett M J 2004 Opt. Express. 12 5448
[13]
[14]	Paterson C 2005 Phys. Rev. Lett. 94 153901
[15]
[16]	Tiehui Su, Ryan P S 2012 Optics Express 20 9396
[17]
[18]	Liu Y D, Gao C Q 2008 Optics Communications 281 3636
[19]
[20]	Ke X Z, Lü H, Wu J Z 2008 Chinese Journal of Quantum Electronics 25 385 (in Chinese) [柯熙政, 吕宏, 武京治 2008 量子电子学报 25 385]
[21]	Lü L, Ke X Z 2010 Chinese Journal of Quantum Electronics 27 155 (in Chinese) [吕宏, 柯熙政 2010 量子电子学报 27 155]
[22]
[23]
[24]	Su Z K, Wang F Q, Lu Y Q, Jing R Q, Lang R S, Liu S H 2008 Acta Phys. Sin. 57 3017 (in Chinese) [苏志锟, 王发强, 路轶群, 金锐博, 梁瑞生, 刘颂豪 2008 物理学报 57 3017]
[25]	Dong Y M, Xu Y F, Zhang Z, Ling Q 2006 Acta Phys. Sin. 55 5755 (in Chinese) [董一鸣, 徐云飞, 张璋, 林强 2006 物理学报 55 5755]
[26]
[27]
[28]	Gao M W, He X Y, Li J Z, Wei G H 2004 Acta Phys. Sin. 53 413 (in Chinese) [高明伟, 何晓燕, 李家泽, 魏光辉 2004 物理学报 53 413]
[29]	Paterson C 2004 Optics in Atmospheric Propagation and Adaptive Systems VII, p187
[30]
[31]
[32]	Anguita J A, Neifeld M A 2007 OSA FWS 6 1
[33]	Anguita J A, Neifeld M A, Bne V V 2008 Applied. Opt. 47 2414
[34]
[35]	Rao R Z 2009 Chin. Phys. B 18 581
[36]
[37]	Zhang Y X, Zhao G Y, Xu J C, Cuang J 2009 WRI International Conference on Communications and Mobile Computing, February, 2009 p477
[38]
[39]	ITU-R. Document 3J/31-E, Radio-communication Study Group Meeting, Budapest 2001 206 277
[40]

[1]	张卓, 张景风, 孔令军. 基于光束偏移器的光的轨道角动量分束器. 物理学报, 2024, 73(7): 074201. doi: 10.7498/aps.73.20231874
[2]	徐梦敏, 李晓庆, 唐荣, 季小玲. 风控热晕对双模涡旋光束大气传输的轨道角动量和相位奇异性的影响. 物理学报, 2023, 72(16): 164202. doi: 10.7498/aps.72.20230684
[3]	刘瑞熙, 马磊. 海洋湍流对光子轨道角动量量子通信的影响. 物理学报, 2022, 71(1): 010304. doi: 10.7498/aps.71.20211146
[4]	闫玠霖, 韦宏艳, 蔡冬梅, 贾鹏, 乔铁柱. 大气湍流信道中聚焦涡旋光束轨道角动量串扰特性. 物理学报, 2020, 69(14): 144203. doi: 10.7498/aps.69.20200243
[5]	付时尧, 高春清. 利用衍射光栅探测涡旋光束轨道角动量态的研究进展. 物理学报, 2018, 67(3): 034201. doi: 10.7498/aps.67.20171899
[6]	李成强, 张合勇, 王挺峰, 刘立生, 郭劲. 高斯-谢尔模光束在大气湍流中传输的相干特性研究. 物理学报, 2013, 62(22): 224203. doi: 10.7498/aps.62.224203
[7]	李晓庆, 季小玲, 朱建华. 大气湍流中光束的高阶强度矩. 物理学报, 2013, 62(4): 044217. doi: 10.7498/aps.62.044217
[8]	齐晓庆, 高春清, 辛璟焘, 张戈. 基于激光光束轨道角动量的8位数据信号产生与检测的实验研究. 物理学报, 2012, 61(17): 174204. doi: 10.7498/aps.61.174204
[9]	李铁, 谌娟, 柯熙政, 吕宏. 大气信道中单光子轨道角动量纠缠特性的研究. 物理学报, 2012, 61(12): 124208. doi: 10.7498/aps.61.124208
[10]	李晋红, 吕百达. 部分相干涡旋光束通过大气湍流上行和下行传输的比较研究. 物理学报, 2011, 60(7): 074205. doi: 10.7498/aps.60.074205
[11]	刘飞, 季小玲. 双曲余弦高斯列阵光束在湍流大气中的光束传输因子. 物理学报, 2011, 60(1): 014216. doi: 10.7498/aps.60.014216
[12]	黎芳, 唐华, 江月松, 欧军. 拉盖尔-高斯光束在湍流大气中的螺旋谱特性. 物理学报, 2011, 60(1): 014204. doi: 10.7498/aps.60.014204
[13]	齐晓庆, 高春清. 螺旋相位光束轨道角动量态测量的实验研究. 物理学报, 2011, 60(1): 014208. doi: 10.7498/aps.60.014208
[14]	季小玲. 大气湍流对径向分布高斯列阵光束扩展和方向性的影响. 物理学报, 2010, 59(1): 692-698. doi: 10.7498/aps.59.692
[15]	刘曼, 陈小艺, 李海霞, 宋洪胜, 滕树云, 程传福. 利用干涉光场的相位涡旋测量拉盖尔-高斯光束的轨道角动量. 物理学报, 2010, 59(12): 8490-8498. doi: 10.7498/aps.59.8490
[16]	吕宏, 柯熙政. 具有轨道角动量光束入射下的单球粒子散射研究. 物理学报, 2009, 58(12): 8302-8308. doi: 10.7498/aps.58.8302
[17]	陈晓文, 汤明玥, 季小玲. 大气湍流对部分相干厄米-高斯光束空间相干性的影响. 物理学报, 2008, 57(4): 2607-2613. doi: 10.7498/aps.57.2607
[18]	高明伟, 高春清, 林志锋. 扭转对称光束的产生及其变换过程中的轨道角动量传递. 物理学报, 2007, 56(4): 2184-2190. doi: 10.7498/aps.56.2184
[19]	董一鸣, 徐云飞, 张璋, 林强. 复杂像散椭圆光束的轨道角动量的实验研究. 物理学报, 2006, 55(11): 5755-5759. doi: 10.7498/aps.55.5755
[20]	高明伟, 高春清, 何晓燕, 李家泽, 魏光辉. 利用具有轨道角动量的光束实现微粒的旋转. 物理学报, 2004, 53(2): 413-417. doi: 10.7498/aps.53.413

计量

文章访问数: 6865
PDF下载量: 869
被引次数: 0

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

搜索

留言板