涡旋光束传输特性的研究主要以光场的统计特性为理论基础。广义惠更斯-菲涅尔原理是最常用的一种研究方法，它是波动光学的基本原理，是处理衍射问题的理论基础。其主要原理是：波前上任何一个未受阻挡的点都可以看成是一个频率于入射波相同的子波源；在其后任何地方的光振动，就是这些子波相干叠加的结果。其中，波前表示光源在某一时刻发出的光波所形成的波面；次级扰动中心是一个点光源，又称为子光源。
涡旋光束的传输特性
摘要：涡旋光束传输特性的研究主要以光场的统计特性为理论基础。广义惠更斯-菲涅尔原理是最常用的一种研究方法，它是波动光学的基本原理，是处理衍射问题的理论基础。其主要原理是：波前上任何一个未受阻挡的点都可以看成是一个频率于入射波相同的子波源；在其后任何地方的光振动，就是这些子波相干叠加的结果。其中，波前表示光源在某一时刻发出的光波所形成的波面；次级扰动中心是一个点光源，又称为子光源。
涡旋光束的传输特性，采用（orbital angular moment,OAM）涡旋光束携带信号传输时，会受到大气湍流的影响。大气湍流会引起光束强度和相位的改变，导致误码率增加以及通信容量降低。研究大气湍流对涡旋光束的影响除了对涡旋光束在大气湍流中传输时湍流效应进行分析之外，也对光子的OAM本征态的变化情况进行分析以及对涡旋光束的相位奇点进行相应的评估。一般对于涡旋光束传输特性研究主要从以下两个方面入手。（1）不同涡旋光光束的传输特性研究，空间结构的不同使得涡旋光束的种类众多。例如：贝塞尔-高斯矢量光束、LG光束、椭圆涡旋光束、多阶高斯-谢尔涡旋光束等；（2）涡旋光束在不同路径上的传输特性研究，早期研究者一般考虑光束在大气湍流中水平传输的情形，自从2001年国际电信联盟提出了随高度变化的大气结构常数模型之后，人们逐渐关注光束在大气湍流中斜程传输的情形。
图1.涡旋光束及强度分布示意图
大气湍流是一种具有随机性的混沌介质。当光经过大气湍流时，其随机运动会造成折射率起伏，导致光束发生畸变、相干性减弱、光强衰减等一系列湍流效应。这些变化在强湍流或长距离传输时尤为明显，从而严重制约了自由空间光通信的发展。大气湍流是一种杂乱无章的运动，具有以下特性（1）湍流运动具有不规则的随机特性。大气湍流是在外力作用下产生的一种运动方式，随外力增加，流体运动状态由层流变为湍流，运动逐渐失去稳定性，变成不规则、杂乱无章的非线性运动。（2）湍流参数具有统计规律特性。虽然湍流运动是一种不规则运动，但其相邻空间点上的运动参数具有一定的相关特性。因此，可以采用统计平均法等统计规律对湍流进行估算和预测。（3）湍流对初始条件敏感依赖性。洛伦茨最早推断出大气对初始条件敏感这一特性，随后贝里以精确的数值计算结果作为对洛伦茨推断的证明，发现大气湍流对其初始条件同样具有敏感依赖性。
图2.涡旋光束及空间分布示意图
大气湍流会导致光折射率随机起伏，光波在大气湍流中传输时将会产生波前畸变以及振幅起伏，因此，将引起光强闪烁、光束扩展、光斑漂移、到达角起伏以及光束相干性降低等大气湍流效应。只有通过对涡旋光传输特性的研究学习，我们才能够更好了了解以及使用涡旋光，减少涡旋光在数据通信过程中的信号失真，以及如何降低误码率。
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