轨道角动量光束在大气湍流中的畸变及其补偿方法研究.pdf

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1、硕士学位论文轨道角动量光束在大气湍流中的畸变及其补偿方法研究THEABERRATIONOFOAMBEAMSINATMOSPHERETURBULENCEANDCOMPENSATIONMETHODSRESEARCH关克强哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TN929.13学校代码：10213国际图书分类号：621.391.6密级：公开工程硕士学位论文轨道角动量光束在大气湍流中的畸变及其补偿方法研究硕士研究生：关克强导师：杨清波副教授申请学位：工程硕士学科：光学工程所在单位：光电子信息科学与技

2、术系答辩日期：2018年06月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TN929.13U.D.C:621.391.6DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringTHEABERRATIONOFOAMBEAMSINATMOSPHERETURBULENCEANDCOMPENSATIONMETHODSRESEARCHCandidate:GuanKeqiangSupervisor:AssociateProf.YangQingboAcademic

3、DegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpeciality:PhysicalElectronicsDept.ofOptoelectronicInformationAffiliation:Science&TechnologyDateofDefence:June26.2017Degree-Conferring-Institution:HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要轨道角动量光束，也称OAM（OrbitalAn

4、gularMomenment）光束，也称涡旋光(VortexBeams)，由于其携带轨道角动量，所以具有独特的中空环状光强分布和螺旋相位波前。近年来，由于OAM光束具有提高通信系统的传输容量和频谱效率的潜在能力，因此受到许多学者们的青睐。但对基于OAM光束的自由空间光（FSO）通信链路来说，远距离传输信息需要克服的一个关键问题便是大气湍流会扭曲OAM光束的螺旋相位波前，导致OAM在接收端产生信道串扰（ChannelCrosstalk），接收功率降低，降低通信性能。本文以此为背景，先研究了像差对于

5、OAM光束远场传输光强的影响，然后仿真分析了在弱、中等、强的大气湍流条件下OAM光束的传输特性，最后针对大气湍流引起的OAM光波前畸变，利用光学自适应补偿技术加以恢复。本文主要工作如下：(1)本文首先做了关于初级像差的基础研究，为了和高斯光束受像差影响做比较，先仿真了五种经典的初级像差对于高斯光束的影响，然后把高斯光束换成OAM光束，分析了五种像差对于OAM光束的影响，并挑出对OAM光束有明显影响的慧差和像散做了进一步详细分析。(2)为验证自适应补偿方案的补偿效果，首先要使OAM束经过大气湍流的

6、传输。所以我们基于Kolmogorov大气湍流理论及其统计特性，利用Zernike多项式建立了大气湍流随机相位屏，基于多相位屏法仿真分析了OAM光束在水平大气中的传输特性，最后引入螺旋谱来评估OAM光束的模式纯度。(3)仿真了拓扑荷为+1~+5模式的OAM光束的二维复用，发现其复用后的光强“旁瓣”满足：“旁瓣”数=拓扑荷差值。(4)设计了一种基于预补偿方法和GS相位恢复算法的自适应补偿方案，用Zernike多项式建立大气湍流相位屏，并对单一模式和双OAM复用模式进行大气传输的仿真分析，结果表明该

7、方法对接收端模式纯度的提升有一定改善。关键词：像差；空间光通信；大气湍流；OAM光束；自适应补偿；预补偿Ⅰ哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractOrbitalangularmomenmentbeam,alsocalledtheOAM(OrbitalAngularMomenment)beam,hasauniqueannularlightintensitydistributionandauniquespiralphasewavefrontduetoitbringsorbitalangular

8、momentumcharacteristics.Inrecentyears,OAMbeamshaveattractedmanyscholarsbecauseoftheirpotentialtoincreasethetransmissioncapacityandspectralefficiencyofcommunicationsystems.However,forthefreespaceoptical(FSO)communicationlinkbasedonOAMbeam,akeyproblemn