相干涡旋在大气湍流中传输机理的研究

In the recent years, singular optics with the optical vortices and coherent vortices as the core content, has shown attractive application perspectives in optical tweezers, optical communications, optical data storage and quantum cryptography etc. Due to the important significence to the design for quantum optical communications system in free space, the investigation to propagation behaviors of coherent vortices through atmospheric turbulence is one of the most research hotspot in free space optical communications. Based on the methods of phase distributions, this project is devoted to studying propagation mechanism of coherent vortices in atmospheric turbulence from two aspects of the theoretical analysis and experimental demonstration. The content refers to the evolution behaviors of coherent vortices in atmospheric turbulence, including generating, moving, annihilation behaviors; the condition for the conservation and the propagation distance for the conservation of the topological charge in atmospheric turbulence; determining the relationship between M2 factors (propagation factors) and both coherent vortices and topological charge, as well as the influence of topological charge on the position and number of coherent vortices from theoretically to experimentally; performing binary coding and transmission for information using the property of positive and negative signs of topological charge;and so on. Thus, the approach of the topological charge as information carrier in optical communications can be established, what’s more, the propagation mechanism of coherent vortices in atmospheric turbulence can be elucidated. The work will provide the new idea and new method for designing the free space quantum optical communications system.

近年来，以光涡旋和相干涡旋为核心内容的奇点光学，已在光镊、光通信、光数据存储和量子密码系统等方面展现出诱人的应用前景。研究相干涡旋在大气湍流中的传输行为，对自由空间量子光通信系统的设计具有重要意义，是现代光通信领域最为活跃的研究热点之一。本项目拟利用位相分布法，通过理论分析和实验验证对相干涡旋在大气湍流中传输机理相关问题进行研究，包括研究相干涡旋在大气湍流中的产生、移动、湮灭等动态演化规律；分析拓扑电荷在大气湍流中的守恒条件和守恒距离；分别从理论和实验上确定相干涡旋和拓扑电荷与M2因子(传输因子)的关系，以及拓扑电荷对相干涡旋位置和数目的影响；利用拓扑电荷仅具有正负符号的特性,对所带信息进行二进制编码和传递等。通过本项目的研究建立拓扑电荷在光通信中成为信息载体的方法，进而阐明相干涡旋在大气湍流中的传输机理。该研究工作将为自由空间量子光通信系统的设计提供新方法和新思路。

奇点光学以其本身固有的奇异特性，和其在信息传递、微粒操控等领域的重要应用，引起了学术界的高度关注。大气湍流中奇点光学的研究在自由空间光通信、量子保密系统、激光武器、天体物理等领域中有十分重要的应用意义，是现代光学最为活跃的研究热点之一。本项目研究了相干涡旋在大气湍流中传输机理问题，包括研究了相干涡旋在大气湍流中的产生、移动、湮灭等动态演化规律；分析了拓扑荷在大气湍流中的守恒条件和守恒距离；分别从理论和实验上确定了相干涡旋和拓扑电荷与传输因子的关系，以及拓扑电荷对相干涡旋位置和数目的影响等。研究表明，部分相干非涡旋光束在自由空间和大气湍流中都不会产生相干涡旋，部分相干涡旋光束在传输中有相干涡旋出现；相干涡旋依据产生的原因可分为三类：第一类是涡旋光束本身所固有的相干涡旋，第二类是涡旋光束在自由空间中自身传输引起产生的相干涡旋，第三类则是大气湍流诱导涡旋光束产生的相干涡旋。在自由空间传输中圆刃型位错数目与源处保持一致；随着传输距离的增加，圆刃型位错的半径逐渐增大，圆心位置在（0, 0）点保持不变。n个圆刃型位错在大气湍流传输中演化成n对光涡旋；每对光涡旋的拓扑荷相反，其位置坐标关于y=x轴对称；随着传输距离的增加，每对光涡旋之间的距离先增大，后减小，直至每对光涡旋湮灭。高斯谢尔模型涡旋光束和非涡旋光束在大气湍流中传输时，湍流外尺度和广义结构常量越小，湍流内尺度越大，归一化传输因子越小，斯特列而比越大，光束传输受大气湍流影响越小，光束质量越好。同等条件下，高斯谢尔模型涡旋光束比非涡旋光束受大气湍流影响相对较小，更适合应用于大气激光通信。实验上利用螺旋相位板获得了涡旋光束，并得到其干涉图样，实验结果与理论结果保持一致。携带不同拓扑荷的涡旋光束对应着唯一的干涉图样，因此可以通过干涉图样直观地判断出涡旋光束的拓扑荷数。该研究工作可为自由空间量子光通信系统的设计提供新方法和新思路。