涡旋光束在海洋湍流传输中的闪烁现象的研究

The scintillation would lead to the error of optical information transmission, which limits its application in optical communication and other fields. Therefore, to reduce the scintillation of beams propagating in turbulence has become an important research content. Recently, the transmission, imaging of laser beam in the oceanic water aroused people's interest, people gradually realized the necessity to study the influences of oceanic turbulence on the laser beam. In this project, the scintillation of vortex beams carrying different orbital momentum propagating in oceanic turbulence is investigated theoretically and experimentally. On the one hand, we numerically study the influences of the coherence, the polarization and topological charge of vortex beams (including Laguerre-Gaussian beam and high order Bessel-Gauss beam) on the scintillation and how to modulate the above beam parameters to reduce the scintillation of vortex beams propagating in oceanic turbulence. On the other hand, we investigate the scintillation of vortex beams propagating in oceanic turbulence experimentally, and measure the scintillations to demonstrate the theoretical results. These studies have theoretical and practical significance in optical communication, imaging systems involving oceanic turbulent.

闪烁会导致光信息的传输出现误码现象，从而限制了其在光通信等领域的应用。因此，降低光束在湍流中的闪烁成为了一个重要的研究内容。近来，激光在海洋中的传输、成像引起了人们的兴趣，人们也逐渐认识到研究激光束受到海洋湍流影响的必要性。本项目拟对不同轨道角动量的涡旋光束通过海洋湍流传输后的闪烁指数进行研究。一方面，从理论角度研究涡旋光束（包含拉盖尔-高斯涡旋光束和高阶贝塞尔-高斯光束）的相干性、偏振情况以及拓扑荷数对闪烁指数的影响，进而通过合理调制上述光束参数有效降低涡旋光束在海洋湍流传输过程中的闪烁。另一方面，拟对涡旋光束通过海洋湍流传输后的闪烁指数进行实验测量与研究，以验证理论结果。该项目的研究结果在海洋光通信以及海洋成像方面具有重要的理论意义和应用价值。

闪烁会导致光信息的传输出现误码现象，从而限制了其在光通信等领域的应用。因此，降低光束在湍流中的闪烁成为了一个重要的研究内容。近来，激光在海洋中的传输、成像引起了人们的兴趣，人们也逐渐认识到研究激光束受到海洋湍流影响的必要性。在本项目中我们利用广义惠更斯-菲涅耳衍射积分公式研究了不同类型的激光光束在海洋中的传输特性，包括随机电磁高阶Bessel-Gaussian光束在海洋湍流中传输时其在远场输出面的统计特性的变化，带球差的部分相干光束在海洋湍流介质中传输的光强特性，发现当传输距离增加到足够远，高阶Bessel-Gaussian光束的光强分布都会演变成最终的类高斯分布。而带球差的部分相干光束光束随着传输距离的增加，光束逐渐展开，光斑变大，并且随着海洋的均方温度耗散率的增加，光束扩展越明显；为了仿真涡旋光束在海洋中的实际传输，我们采用了分步相位屏的方法对涡旋光束在海洋湍流中传输的光强和闪烁因子进行了仿真计算，发现随着传输距离的增加，涡旋光束的闪烁因子逐渐低于高斯光束的闪烁因子，并且拓扑荷数越大，传输一定距离后的闪烁因子越小。为了进行实验研究，我们自制了闪烁仪，对高斯光束和涡旋光束通过海洋湍流传输后的闪烁指数进行了初步的实验测量，发现在短距离内高斯光束的闪烁因子低于涡旋光束。另外, 我们从理论和实验两方面对径向偏振高阶贝塞尔-高斯涡旋光束在自由空间传输的光强分布和偏振特性进行了详细研究，发现在自由空间传输时，对于零阶光束，其偏振态一直保持径向偏振不变。但对于高阶光束，其偏振态却随之发生变化，由初始的径向偏振逐渐变为椭圆偏振和线偏振的杂化状态。研究了双涡旋光束在大气湍流中的闪烁指数。研究发现，对于长距离传输，双涡光束可以得到一个相对较小的闪烁因子。当传输距离超过一定值时，双涡光束的轴上闪烁指数小于高斯光束的轴上闪烁指数。在这一系列的研究工作中，我们一共发表了8篇学术论文，其中SCI收录论文5篇，EI收录论文1篇。该项目的研究结果在海洋光通信以及海洋成像方面具有重要的理论意义和应用价值.