湍流大气信道对基于部分相干涡旋光束传输的自由空间光通信的影响机理研究

与完全相干光相比，部分相干涡旋光束因其具有受湍流影响小、通信编码自由度大、可携带信息量多和安全性高等独特优势而在自由空间光通信领域具有广阔的应用前景，其在湍流大气信道中的传播规律成为光传播研究领域的前沿内容。本项目基于Maxwell波动方程，采用多层相位屏的数值模拟手段，研究矢量光场的数值模拟算法，构建部分相干涡旋光束大气传播的数值仿真模型，依据衍射效应、湍流效应、大气介质特性和抽样原则等约束条件，研究计算参数的科学选取方案。通过数值模拟该类光束在湍流大气信道中的传播过程，研究光强起伏及其概率分布、光束扩展、漂移、相干性、偏振度和涡旋结构的动态演变规律，以及不同湍流谱对光传播特性的影响，结合理论分析和实验验证，探索湍流大气信道对部分相干涡旋光束传播的影响机理。在此基础上，根据自由空间光通信的性能评价指标，探讨部分相干涡旋光束作为通信载体的参数优化设计方案，为发展新型光通信手段提供科学依据。

通过本项目的研究，根据Maxwell波动光学传播理论，采用多层湍流相位屏法，构建了部分相干涡旋光束在湍流大气中传播过程的数值仿真模型，提出了部分相干涡旋光束大气传输数值模拟的计算参数科学选取的新要求和线性坐标变换的解决方法，建立了部分相干涡旋光束在湍流大气中传播过程的数值模拟软件系统，实现了对部分相干涡旋光束在水平和斜程湍流大气中传播的数值模拟。. 系统研究了光场的部分相干性和涡旋性对光波大气传播的影响，结合理论研究，统计分析了部分相干涡旋光束大气传输的光束扩展、光斑质心漂移，以及光强起伏闪烁指数、孔径平滑效应和起伏概率分布特征，获得了湍流大气信道中部分相干涡旋光束传播的基本规律，说明了部分相干涡旋光束作为自由空间光通信载体的优势。研究结果表明，1）总体而言，部分相干光在湍流大气中传输受到湍流的影响要比完全相干光小，相干性越差，受到湍流的影响越弱；2）光场的涡旋相位会导致光束传播过程中逐渐出现光强中空结构，相位拓扑荷数越大，光强的中空结构越大，而大气湍流对该中空结构有一定的抑制作用；3）光场的部分相干性和涡旋性都会导致光束的扩展半径要比相应的相干无涡旋光束大，但是部分相干光的相对真空扩展程度要比相干光小；4）降低光场的相干性可大幅度降低闪烁指数，包括轴上闪烁指数、离轴闪烁指数和孔径平滑闪烁指数，但会导致闪烁指数的孔径平滑效应要相应减弱；5）在湍流比较弱的情况下，部分相干光的漂移方差要比相干光略大，随着湍流的增强，两者的漂移方差近似相等，不同拓扑荷数的涡旋光束在大气中传输的光斑质心漂移并未有差异，这表明光场相干性的变化和涡旋相位均不会对光斑质心的漂移造成明显影响。同时，我们也建立了部分相干涡旋束大气传输的实验系统，具备了初步开展部分相干涡旋光束大气传输实验研究的条件。该项目的研究成果为发展基于部分相干涡旋光束自由空间无线光通信的技术应用提供了科学依据和理论基础，为系统参数的优化设计提供了基础数据。