王帅会，陈家奇，顾国超



拉盖尔-高斯光束在non-Kolmogorov湍流中传输的数值模拟

王帅会，陈家奇，顾国超

( 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春130033 )

针对大气湍流对拉盖尔-高斯光束的螺旋谱的影响，本文提出利用多相位屏法模拟拉盖尔-高斯光束在大气湍流中的传输。采用傅里叶变换法模拟符合non-Kolmogorov谱的大气随机相位屏，通过改变拓扑荷、光束波长、指数参数、折射率结构常数、湍流内尺度、外尺度等参数，对大气湍流的影响进行数值模拟。仿真结果表明，大气湍流会导致拉盖尔-高斯光束的螺旋谱的弥散。而且，螺旋谱弥散与拓扑荷、波长、指数参数、折射率结构常数、内尺度、外尺度密切相关。

non-Kolmogorov湍流；相位屏；拉盖尔-高斯波束；拓扑荷

0 引 言

1992年，Allen等发现带有相位因子的光束中每个光子具有的轨道角动量[1]。这类光束称为涡旋光束，独特的相位结构使其在生物医学、信息传输领域得到了极大的重视[2-5]。与传统通信相比，利用轨道角动量进行通信可以在不增加带宽的情况下极大的提高数据传输容量，并且具有独特的保密性[6]。然而在实际应用中，由于大气湍流的随机性与不稳定性，不可避免的会引起光束的强度以及相位变化，导致误码率的增加以及通信容量的降低[8-9]。研究影响光束螺旋谱的各种因素，对于提高基于轨道角动量的通信系统性能具有重要的意义。研究大气湍流对涡旋光束影响可以采用理论分析[9-10]与数值模拟的方法[11-13]。由于湍流介质的复杂性，数值模拟方法已成为研究光束在大气湍流中传输问题的一种重要手段。……