1. 研究目的与意义
| 本课题的现状及发展趋势： 涡旋光束的螺旋形波前使其具备独特的正交特性以及简单的产生和解调特性，因此其用作通信时，对信道容量和安全性有极大地提升。从首次发现涡旋光束以来，研究者进行了大量研究。关于涡旋光束的产生研究，在1989年，P.Cullet等人首次提出了“光学涡旋”（OpticalVortices，OV）的概念，并发现涡旋的中心存在相位奇点，每圈相位变化为2π。随后在1992年，Allen等人发现了一种特殊的光束，其具有特殊相位结构exp(ilq)，并且光束中心的光强为零，同时携带lh的轨道角动量。同年，Heckenberg等人成功地利用计算全息图产生涡旋光束，从此确立了一种可控的涡旋光束产生方式。2002年，Jennifer等人提出一种用空间光调制器（SLM）产生涡旋光束的方法，该方法利用计算机将计算全息图加载到SLM的液晶屏幕上，高斯光入射到SLM屏幕后得到涡旋光束。2012年，Yan等人在具有环形折射率分布的光纤中，使用高斯模式的多个相干输入生成光学轨道角动量模式。2014年，华中科技大学王健[51]团队提出一种多模式叠加涡旋光束产生系统，通过计算并设计传递函数产生多模式叠加涡旋光束。到目前为止，涡旋光束产生方法已逐渐成熟。 关于完美涡旋光束的研究，因为普通涡旋光束的环半径对拓扑电荷数有很强的依赖性，这会导致其在多模式光束复用时造成巨大的损耗。因此，在2013年Ostrovsky等人首次提出POV光束的概念后，POV光束作为一种特殊的半径与拓扑电荷数无关的涡旋光束，受到了极大关注。在此基础上，Vaity等人于2015年首次提出了以贝塞尔光束加傅里叶变换得到POV光束的方法，从此奠定了实验室常规POV光束的产生方式。2017年，上海大学黄素娟团队利用显微镜物镜加普通透镜使POV光束在自由空间传输了一定距离，这是首次解决了POV光束只在傅里叶透镜焦点处存在的问题。2018年，Wang等人提出了一种使用环半径和拓扑电荷的二维波分复用方案，并在模拟中验证了其在大气湍流下的性能，但他们没有深入研究完美涡旋光束在湍流中的传输特性，同时，不同模式完美涡旋光束能否在湍流后依旧维持相同环状，即完美涡旋光束在大气湍流中的保束特性也未见报道。综上所述，涡旋光束在传输通信领域有着极大的优势，早已被研究者用于各个方向，但由于其亮环半径对拓扑电荷数的依赖性，使得涡旋光束在具体应用上仍然存在相当大的难度。完美涡旋光束的诞生弥补了传统涡旋光束的缺点，在最近几年吸引了光通信领域大量专家们的目光。然而，从目前的研究现状看来，2013年出现的完美涡旋光束至今也才发展了不到8年，各领域成果依旧很欠缺，相应的湍流传输特性仍未被人所知。因此，为了加快椭圆完美涡旋光束在光通信领域中实际应用的发展速度，研究椭圆完美涡旋光束在大气湍流中的传输有极大的实际意义。 本课题的价值： 光学涡旋特殊的暗中空结构以及确定的轨道角动量特性，使得其在最近几十年里得到了广泛的研究和应用。完美涡旋光束（POV）是当前涡旋光束研究领域的一大研究热点，其尺寸不会随着拓扑电荷的变化而变化。近些年来，研究人员在POV的基础上进一步提出了椭圆完美涡旋光（EPOV），其最大特点是除了具有传统圆形POV的特性以外，还在空间上具有长轴和短轴之分，因此在通信领域，长轴/短轴的方位角有进一步提升通信容量的潜力。 参考文献： [1] Victor V. Kotlyar,Alexey A. Kovalev,Alexey P. Porfirev. [J]. Optik,2018,156: [2] A. Ostrovsky, C. Rickenstorff-Parrao, V. Arrizón, Generation ofthe perfect optical vortex using a liquid-crystal spatial light modulator, Opt.Lett. 38 (2013) 534–536. [3] J. García-García, C. Rickenstorff-Parrao, R. Ramos-García, V.Arrizón, A.Ostrovsky, Simple technique for generating the perfect optical vortex,Opt. Lett. 39 (2014) 5305–5308. [4] P. Vaity, L. Rusch, Perfect vortex beam: fourier transformationof a Bessel beam, Opt. Lett. 40 (2015) 597–600. [5] V.V. Kotlyar, A.A. Kovalev, A.P. Porfirev, Optimal phase elementfor generating a perfect optical vortex, J. Opt. Soc. Am. A 33 (2016)2376–2384. [6]V. Kotlyar, S. Khonina, A. Almazov, V. Soifer, K. Jefimovs, J. Turunen,Elliptic Laguerre-Gaussian beams, J. Opt. Soc. Am. A 23 (2006) 43–56.CC
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2. 研究内容和问题
基本内容：
1.理解轨道角动量和光学涡旋之间的关系，了解光学涡旋的特性和作用。
2.理解全息成像原理，利用Matlab生成相位全息图，并对涡旋光束进行仿真再现。
3. 设计方案和技术路线
研究方法：
本课题通过分析轨道角动量和涡旋光束基础理论，探究涡旋光束在自由空间中的光场特征；仿真贝塞尔光束光场分布，以此研究这种光束在自由空间中的光强及相位特性；在传统的圆对称光涡旋中引入了椭圆度，在椭圆贝塞尔光束的夫琅和费衍射区可以观察到椭圆POV (EPOV)。
椭圆完美涡旋光束在大气湍流中的传输特性研究。以Kolmogorov湍流谱理论为基础，设计出大气湍流随机相位屏，实现了对大气湍流的模拟。借助菲涅尔衍射理论，设计了基于椭圆完美涡旋光束的大气湍流传输链路，通过分析典型条件下椭圆完美涡旋光束大气湍流传输后光场分布结构，得到椭圆完美涡旋光束与大气湍流之间对应关系。对比仿真与实验结果，明确了椭圆完美涡旋光束在大气湍流中的传输特性。
4. 研究的条件和基础
本课题可以借助上海大学光接入重点实验室相关条件展开。
该实验室已具备该课题研究所需的设备和条件。
其中设备包括：空气减震实验平台、SANTEC 1550nm可调谐激光光源、滨松（Hamamatsu）红外CCD、Holoeye空间光调制器、OFDM信号发生器、光电接收器、示波器等；器材包括：准直器、偏振片、半波片、保偏光纤、分束/合束器、光阑、5轴三维调节平台以及光机组件等。
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