具有特殊关联结构的部分相干涡旋光束的传输特性研究

Vortex beams with spiral phase carry orbital angular momentum, which has been recognized as a carrier of signal transmission and information encoding. Researches around the characterization, regulation, as well as the mechanism of interaction with random media have received more and more attention due to its various applications in optical communications, super-resolution imaging, optical micro-manipulation and elsewhere. So far the correlation functions of partially coherent vortex beams mainly take the form of Gausssian-Schell model, based on the modulation of coherence of light field, this project will carry out theoretical study of the propagation properties of partially coherent vortex beams with special correlation functions. Firstly, the propagation behaviors of non-uniformly correlated vortex beams through a thin lens and turbulent atmosphere are to be explored, it's expected to obtain some novel space-variant optical fields by reasonably varying the controllable parameters. Then we will investigate the optical statistic properties of Laguerre-Gaussian correlated vortex beams propagating through isotropic and anisotropic atmospheric turbulence, respectively. And some methods to make beams more resistant to the degrading effects of turbulence are proposed. Finally, we will study the evolutions of orbital angular momentum of partially coherent vortex beams passing through an astigmatic system to find a simple and convenient way to realize the control of orbital angular momentum. This project would lead to enrichment of coherent optics and singular optics, meanwhile, it opens a new scope for practical applications of vortex beams like free-space communication.

涡旋光束具有螺旋型相位分布，携带的轨道角动量可作为信号传输与信息编码的载体。光束传输特性的表征、调控以及与随机介质相互作用的机理研究受到研究者的极大关注，在光通信、超分辨成像以及光学微操控等领域具有重要应用价值。目前部分相干涡旋光束的关联结构主要集中于高斯-谢尔模型，本项目基于光场关联结构调控，理论研究具有特殊关联结构的部分相干涡旋光束的传输特性。主要包括：研究非均匀关联部分相干涡旋光束经光学系统以及湍流大气传输的传输特性，通过合理调制可控参量获得新型空间分布光场；研究拉盖尔-高斯关联部分相干涡旋光束经各向同性和各向异性湍流大气传输的光学统计特性，寻找增强光束抗湍流扰动能力的有效途径；研究部分相干涡旋光束经象散系统的轨道角动量特性，探索简易便捷的方法，实现对轨道角动量的有效调控。本项目将丰富相干光学与奇点光学的理论基础，为自由空间光通讯等实际应用提供新视角。

相位和相干性是光场的重要物理属性。近年来，具有螺旋形相位并可携带轨道角动量的涡旋光束受到研究者的广泛关注。另一方面，光源中特殊关联函数的引入使得光束在传输过程中具有诸多新颖的传输特性，如一些二阶光学统计特性可获得多样化的空间分布。因此，研究通过调控相位和空间关联结构产生的新型光束对光通信、超分辨成像以及光学微操控具有重要的应用价值。基于此，本项目针对部分相干光的相位和关联结构进行同时调控，对产生的新型光束的传输特性展开研究，重点讨论了光源的特征参量和光学系统参数对传输特性的影响。主要研究成果如下：构建了具有扭曲相位的拉盖尔-高斯关联光束理论模型。进一步，研究了该类光束在随机介质（湍流大气）中的传输特性。研究表明，对拉盖尔-高斯关联光束引入扭曲相位因子，可以实现对光强的可控调节。扭曲系数对光强分布有尤其重要的影响，光束在湍流大气的传播过程中，可能出现自分裂现象。湍流大气的扰动强度对自分裂现象有一定的作用，但是不会影响光斑的旋转速度。此外，本项目将上述的标量光束拓展到矢量域，推导出普适性更强的拉盖尔-高斯关联光束的交叉谱密度矩阵的解析式，重点研究了谱相干度、谱偏振度和偏振态的演化规律。研究表明，扭曲系数、光斑尺寸和相干长度均可调节相干度、谱偏振度和偏振态在传播横截面上的空间分布。本项目的开展丰富了相干光学和光束传输研究，为特殊关联结构和相位对光场的影响提供了理论基础。