風(fēng)控?zé)釙瀸?duì)雙模渦旋光束大氣傳輸?shù)能壍澜莿?dòng)量和相位奇異性的影響*

徐夢(mèng)敏 李曉慶 唐榮 季小玲

(四川師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院,成都 610068)

本文研究了不同風(fēng)向和風(fēng)速下大氣非線性熱暈效應(yīng)對(duì)雙模渦旋光束軌道角動(dòng)量(orbital angular momentum,OAM)和相位奇異性的影響.由于不同模式疊加的雙模渦旋光束具有不同的對(duì)稱性,熱暈效應(yīng)對(duì)其的影響不僅與風(fēng)速有關(guān),還與風(fēng)向密切相關(guān).研究發(fā)現(xiàn): 在一定風(fēng)向角度下,風(fēng)速越小,熱暈效應(yīng)越強(qiáng),OAM 值越大,即熱暈效應(yīng)促進(jìn)了雙模渦旋光束的OAM 增大.因此,在一定風(fēng)向以及風(fēng)速下雙模渦旋光束可以獲得大于自由空間的OAM,并且大于單模渦旋光束的OAM.模式越高的光束需要更小的風(fēng)速才能使得OAM值大于自由空間中的OAM 值.此外,構(gòu)成雙模渦旋光束的兩束子光束的拓?fù)浜蓴?shù)相差越大,不同風(fēng)向下其OAM 值越穩(wěn)定.另一方面,還研究了風(fēng)控?zé)釙炐?yīng)對(duì)線刃型位錯(cuò)奇點(diǎn)演化的影響,研究表明: 線刃型位錯(cuò)線和風(fēng)向垂直時(shí),位錯(cuò)線消失;線刃型位錯(cuò)線和風(fēng)向平行時(shí),位錯(cuò)線始終存在;線刃型位錯(cuò)線和風(fēng)向?yàn)殁g角或銳角時(shí),位錯(cuò)線演化為光學(xué)渦旋對(duì).上述研究結(jié)果對(duì)激光大氣傳輸和光通信領(lǐng)域具有理論指導(dǎo)意義.

1 引言

激光束大氣傳輸在雷達(dá)、成像、通信等領(lǐng)域具有重要意義[1-5].雙模渦旋光束作為軌道角動(dòng)量(orbital angular momentum,OAM)的疊加態(tài)[6],攜帶多個(gè)OAM 并且具有多樣化的相位分布,可應(yīng)用于微粒操縱、光通信復(fù)用系統(tǒng)等方向[7,8].在實(shí)驗(yàn)上可以利用干涉儀法、合束法、相位光柵法[9-11]等方法將不同模式的渦旋光束同軸相干疊加實(shí)現(xiàn).疊加態(tài)渦旋光束在自由空間和大氣湍流中的傳輸已被廣泛研究[12-16].由不同模式的子光束合成的疊加態(tài)渦旋光束雖然光束形狀以及光渦旋數(shù)量會(huì)發(fā)生變化,但是總OAM 依然保持守恒[12].黃素娟等[13]通過(guò)共軸疊加兩束拉蓋爾高斯渦旋光束形成多環(huán)分布,各環(huán)攜帶不同的OAM,且在空間分布上相互獨(dú)立.Ke 等[14]指出雙模渦旋光束的光強(qiáng)及相位奇點(diǎn)分布關(guān)于子光束拓?fù)浜蓴?shù)公差成規(guī)律性變化.Liu 等[15]研究發(fā)現(xiàn),在大氣湍流中,雙渦旋光束的軸上閃爍指數(shù)比單渦旋光束更小.2022 年,有研究發(fā)現(xiàn)雙通道OAM 模式可以緩解大氣湍流中信號(hào)衰落,減弱傳輸中誤碼率和信號(hào)中斷概率[16].

實(shí)際上,激光束在大氣中傳輸時(shí),大氣分子和氣溶膠粒子會(huì)吸收部分能量加熱空氣,使其折射率發(fā)生改變,進(jìn)而使激光束發(fā)生畸變,這種非線性效應(yīng)稱為熱暈效應(yīng)[17].熱暈效應(yīng)嚴(yán)重影響了激光大氣傳輸?shù)墓馐|(zhì)量.近些年來(lái),以渦旋光束、艾里光束為代表的空間結(jié)構(gòu)光束在大氣傳輸中的熱暈效應(yīng)已經(jīng)被研究者重視.文獻(xiàn)[18]研究了熱暈效應(yīng)對(duì)Airy 光束在大氣中傳輸時(shí)的影響,發(fā)現(xiàn)旁瓣受熱暈的影響比主瓣小,旁瓣的最大強(qiáng)度有可能大于主瓣.Zhao 等[19]發(fā)現(xiàn)熱暈效應(yīng)會(huì)破壞單模渦旋光束初始螺旋相位分布,大氣傳輸后光強(qiáng)出現(xiàn)不對(duì)稱分布.Maxim 等[20]研究表明具有分?jǐn)?shù)階拓?fù)潆姾莎B加的矢量光束在熱暈效應(yīng)中具有更明顯的穩(wěn)定性.最近,有研究者發(fā)現(xiàn)用渦旋光束相干疊加形成的旋轉(zhuǎn)光束可減小熱暈效應(yīng)對(duì)光束質(zhì)量的影響[21,22].因此研究抵抗熱暈效應(yīng)的新型結(jié)構(gòu)光束是大氣傳輸領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一.

熱暈效應(yīng)對(duì)激光束大氣傳輸?shù)挠绊懪c光束形態(tài)以及風(fēng)密切相關(guān).風(fēng)向不會(huì)影響圓對(duì)稱光束的熱暈效應(yīng).但是,不同模式疊加的雙模渦旋光束具有不同的對(duì)稱性,并且OAM 密度分布也不同,因此不同風(fēng)向和風(fēng)速下大氣熱暈效應(yīng)對(duì)雙模渦旋光束OAM 和相位奇異性的影響是一個(gè)值得研究的問題.本文討論了熱暈效應(yīng)中風(fēng)向和風(fēng)速對(duì)雙模渦旋光束OAM 以及線刃型位錯(cuò)奇點(diǎn)演化的影響,得到了一些有意義的結(jié)果,并給出了合理的物理解釋.本文所得結(jié)論對(duì)激光大氣傳輸及光通信等實(shí)際應(yīng)用有理論指導(dǎo)意義.

2 理論模型

雙模渦旋光束可以由兩束不同拓?fù)浜傻母咚箿u旋光束等比例同軸相干疊加形成,其初始光場(chǎng)表達(dá)式為[23]

其中P是初始功率,w0是子光束的束寬,sgn 是符號(hào)函數(shù).l1和l2分別表示兩束子光束的拓?fù)浜蓴?shù),圖1 為單模子光束(l1=1 和l2=3)以及雙模渦旋光束光強(qiáng)和相位分布,可見疊加后的雙模渦旋光束光強(qiáng)不再是環(huán)狀分布,而呈現(xiàn)花瓣?duì)罘植?并且相位也出現(xiàn)全新分布,|l2-l1| 決定了雙模渦旋光束在源平面的光斑的花瓣數(shù).

圖1 單模子光束及雙模渦旋光束的光強(qiáng)(a1—a3)和相位(b1—b3)分布Fig.1.Intensity (a1—a3) and phase (b1—b3) of single-mode subbeams and a dual-mode vortex beams.

近軸近似下的光波在大氣中的傳輸方程可以表示為

從(3)式知,激光大氣傳輸時(shí)可以將傳輸路徑分為若干段,每一段長(zhǎng)度為 Δz,大氣引起的畸變相位置于每一段中間,即從zn →zn+1的求解,可分為3 步.第1 步是在自由空間中傳播 Δz/2 ,通過(guò)離散傅里葉變換實(shí)現(xiàn);第2 步是大氣的折射率改變?cè)斐傻墓鈭?chǎng)相位變化作為薄相位屏置于中間;第3 步再在自由空間中傳輸 Δz/2 ,最后計(jì)算得到靶面光場(chǎng)分布.這就是相位屏法[25].

另外,由于大氣介質(zhì)吸收沿傳輸路徑的激光能量而被加熱,進(jìn)而使密度發(fā)生改變,大氣折射率與密度的變化關(guān)系可以由Gladstone-Dale 公式得到[26]:

其中ρ0為大氣擾動(dòng)前密度,ρ1為密度的改變量.考慮等壓近似下并且忽略熱傳導(dǎo)的流體力學(xué)方程[27]:

其中γ,cs,v,α分別是定壓比熱容、聲速、大氣風(fēng)速和衰減系數(shù).光強(qiáng)強(qiáng)度基于(5)式,利用多層相位屏法,快速傅里葉變換法以及差分法編制了雙模渦旋光束在大氣中傳輸?shù)乃木S仿真模擬程序.本文選取了100 個(gè)相位屏,每個(gè)相位屏之間的距離是30 m,其他計(jì)算參數(shù)為:λ=1.064 μm ,α=6.5×10-5m-1,P=3 kW,γ=1.4,z=3 km.計(jì)算精度為512×512.當(dāng)大氣介質(zhì)吸收的激光能量與橫向風(fēng)帶走的能量傳輸達(dá)到平衡時(shí),激光傳輸特性以及大氣介質(zhì)不再隨時(shí)間變化,這時(shí)激光與大氣之間的非線性相互作用達(dá)到平衡狀態(tài),即熱暈效應(yīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài).本文所得結(jié)論均是穩(wěn)態(tài)熱暈下的計(jì)算結(jié)果.

3 光強(qiáng)和能流圖

由風(fēng)主導(dǎo)的熱暈效應(yīng)會(huì)使上風(fēng)區(qū)域的大氣介質(zhì)冷卻,致使激光束向來(lái)風(fēng)方向發(fā)生偏折,因此光束畸變與風(fēng)的方向密切相關(guān).本節(jié)通過(guò)玻印亭矢量來(lái)分析大氣傳輸中雙模渦旋光束形態(tài)變化.玻印亭矢量是表示能量流動(dòng)的物理量[28]:

其中,?⊥=?/?xex+?/?yey,ex,ey,ez分別是x,y,z方向上的單位矢量;c0是真空中光速,ω為角頻率,ε0是真空中的介電常數(shù).

圖2 是l1=1 和l2=3 疊加的雙模渦旋光束在不同風(fēng)向下的光強(qiáng)分布和橫向平均玻印亭矢量分布.在源平面(圖2(a)),疊加后的雙模渦旋光束具有‘啞鈴’狀分布,且繞中心點(diǎn)旋轉(zhuǎn)180°能夠與原光束重合,即旋轉(zhuǎn)周期為180°.以穿過(guò)光強(qiáng)最大處的軸(黑色虛線)為光束對(duì)稱軸,藍(lán)色箭頭為橫向風(fēng)的方向,并且定義θ為風(fēng)向和光束對(duì)稱軸(假設(shè)向右為正軸)的夾角.圖2(b)—(e)為靶面光斑以及能流分布情況.在自由空間中,雙模渦旋光束傳輸時(shí)因具有OAM 會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn);又由于衍射效應(yīng),光束傳輸后的能流向外擴(kuò)展(圖2(b)).在大氣中,熱暈效應(yīng)會(huì)使光束在風(fēng)方向被壓縮,破壞了光束的啞鈴狀的光強(qiáng)分布.θ=0°時(shí),光束右側(cè)花瓣的光強(qiáng)分布被破壞(圖2(c));θ=45°時(shí),光束能量集中在光斑右上側(cè)(圖2(d));θ=90°時(shí),在光束中心呈現(xiàn)兩個(gè)小亮斑(圖2(e)).由于風(fēng)控?zé)釙炐?yīng)光束具有向左偏折的趨勢(shì),致使能流向右的分量明顯減少,整體能流方向向左且向外發(fā)散.因此,風(fēng)向不同導(dǎo)致雙模渦旋光束的形態(tài)和能流結(jié)構(gòu)不同,OAM密度分布也將不同.

圖2 l1=1,l2=3 時(shí),橫截面的光強(qiáng)和能流分布 (a) 源平面;(b) 自由空間;(c) 在大氣中Fig.2.Beam intensity and energy flow distributions at cross section at l1=1 and l2=3: (a) Source plane;(b) free space;(c) in the atmosphere.

4 軌道角動(dòng)量

在非線性介質(zhì)中的OAM 密度定義為

其中, I m[·] 表示求虛部,當(dāng)jz值為正或負(fù)時(shí),OAM方向分別為z或—z方向.特別地,需要在質(zhì)心坐標(biāo)系下計(jì)算(7)式.光束OAM 的定義為[29]

圖3 為雙模渦旋光束的OAM 隨風(fēng)向的變化.由圖3(a)可知,在自由空間中,OAM 值不隨θ變化,并且傳輸時(shí)OAM 守恒.在大氣中,OAM 值隨對(duì)稱軸與風(fēng)的夾角θ變化呈現(xiàn)波浪變化,在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)出現(xiàn)兩個(gè)峰值,兩次低谷.特別地,存在一個(gè)最佳角度(θ≈20°),使OAM 達(dá)到最大值,且大于自由空間中的OAM 值.θ=150°時(shí),OAM 最小.另外,在θ≈50°時(shí),風(fēng)速大小對(duì)OAM 值的影響會(huì)發(fā)生反轉(zhuǎn).即: 在0 ＜θ＜ 50°時(shí),風(fēng)速越小,熱暈效應(yīng)越強(qiáng),OAM 的值越大,熱暈效應(yīng)促進(jìn)了OAM 的增大.但是,當(dāng)50° ＜θ＜ 180°時(shí),風(fēng)速越小,OAM 的值越小,熱暈效應(yīng)使得OAM 衰減.圖3(b) 在初始OAM 相同的情況下,比較了雙模渦旋光束和單模渦旋光束的OAM 隨θ的變化.可以看出,在θ取一定值時(shí),雙模渦旋光束OAM 值可以大于單模光束的,比如: 由l1=1 和l2=3 兩束子光束疊加的雙模渦旋光束的OAM 在0 ＜θ＜50°高于單模的.l1=—1 和l2=5 模式疊加后,在60°的旋轉(zhuǎn)周期里,雙模渦旋光束的OAM 除了10° ＜θ＜ 25°以外都高于單模光束的.由以上分析可見,在一定風(fēng)向角度下,雙模渦旋光束OAM衰減量更小,甚至獲得大于源平面處的OAM 以及單模光束的,更有利于光通信.

圖3 雙模渦旋光束的OAM 隨θ 變化 (a) l1=1,l2=3 時(shí),不同風(fēng)速;(b) v=3 m/s 時(shí),不同模式Fig.3.OAM of dual-mode vortex beams versus θ: (a) Different wind speeds at l1=1 and l2=3;(b) different modes at v=3 m/s.

為了深入分析上述OAM 增大或者減小的原因,圖4 給出了θ=20°和θ=150°的OAM 密度(圖4(a)—(d))和能流分布(圖4(e)—(h)).由圖3(a)和圖3(b)可知,在θ=20°時(shí)大氣中的OAM 密度正區(qū)域的最大值是自由空間的3 倍多,因此,總OAM 增大.從能流方面分析: 熱暈效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致光束向來(lái)風(fēng)方向(向左)偏折,即能流有向左流動(dòng)的趨勢(shì),而此時(shí)自由空間右上側(cè)光束能流也是向左(圖4(e)),熱暈效應(yīng)促進(jìn)了光束能流旋轉(zhuǎn),導(dǎo)致了光束右上側(cè)OAM 密度顯著增大.由圖4(c)和圖4(d)可以看出,θ=150°時(shí)的大氣中的OAM 密度出現(xiàn)了部分為負(fù)的區(qū)域,并且OAM 密度負(fù)區(qū)域的最大值幾乎達(dá)到了正區(qū)域最大值的3 倍,符合OAM總值減小的特點(diǎn).其物理原因是θ=150°時(shí),自由空間中光束右側(cè)花瓣向右的能流分量占主導(dǎo)(圖4(g)),而與熱暈效應(yīng)導(dǎo)致能流向左的趨勢(shì)相反,即熱暈效應(yīng)抑制了光束能流旋轉(zhuǎn)使得總OAM 降低 (圖4(h)).

圖4 l1=1,l2=3,v=3 m/s 時(shí),OAM 密度(a)—(d)和能流分布(e)—(h)Fig.4.OAM density (a)—(d) and energy flow distribution (e)—(h) at l1=1,l2=3 and v=3 m/s.

圖5 給出了由拓?fù)浜上嗖顬? 的子光束疊加的雙模渦旋光束的OAM 隨風(fēng)向θ變化.子光束拓?fù)浜上嗖顬? 的雙模渦旋光束都具有兩個(gè)花瓣形狀的分布.因?yàn)楣馐螒B(tài)相似,在風(fēng)控?zé)釙炐?yīng)影響下,光束的OAM 隨不同θ增大或減小的大致規(guī)律相同,例如出現(xiàn)兩次峰值兩次低谷.l1=1,l2=3 模和l1=2,l2=4 模的光束的最大OAM 值高于自由空間,但是,l1=3 和l2=5 模的OAM 卻始終低于自由空間的.這是因?yàn)橹挥性谝欢L(fēng)向角度下,熱暈效應(yīng)對(duì)OAM 的增大起促進(jìn)作用時(shí),雙模渦旋光束的OAM 峰值才有可能超過(guò)自由空間中的值.雙模渦旋光束模式越高,受熱暈效應(yīng)越弱,而l1=3 和l2=5 模的熱暈效應(yīng)較弱不足以使OAM 的值超過(guò)自由空間的值.

圖5 拓?fù)浜上嗖顬? 的雙模渦旋光束的OAM 隨θ 變化.實(shí)線為大氣(v=3 m/s),虛線為自由空間Fig.5.OAM of the dual-mode vortex beams with a topological charge difference of 2 versus θ.Solid line is in the atmosphere (v=3 m/s),dotted line is in free space.

圖6 給出了雙模渦旋光束OAM 隨風(fēng)速的變化.圖6(a)可以看出: 在θ=20°時(shí),3 種模式下的OAM 均隨著風(fēng)速減小而增大,且最終在某個(gè)風(fēng)速會(huì)超過(guò)自由空間值.但有趣的是,l1=1,l2=3 模,l1=2,l2=4 模和l1=3,l2=5 模的光束OAM值超過(guò)自由空間的臨界風(fēng)速分別為7.0,4.0,2.1 m/s,即模式越高的光束的臨界風(fēng)速反而越小.這是由于模式越高的光束更能抵抗熱暈效應(yīng).當(dāng)θ=20°時(shí),熱暈效應(yīng)促進(jìn)OAM 增大,風(fēng)速越小,熱暈效應(yīng)越強(qiáng),OAM 越大.所以模式越高的光束需要更小的風(fēng)速才能使得OAM 值超過(guò)自由空間的值.與之相反,當(dāng)θ=150°時(shí),熱暈效應(yīng)抑制OAM 增大,即風(fēng)速越小,熱暈效應(yīng)越強(qiáng),OAM 越小(圖6(b)).

圖6 雙模渦旋光束的OAM 隨風(fēng)速的變化.實(shí)線為大氣,虛線為自由空間 (a) θ=20°;(b) θ=150°Fig.6.OAM of dual-mode vortex beams as a function of wind speed.Solid line is in the atmosphere,dotted line is in free space: (a) θ=20°;(b) θ=150° .

圖7 是拓?fù)浜上嗖罘謩e為2,4,6 的雙模渦旋光束的OAM 隨θ的變化圖.雙模渦旋光束拓?fù)浜上嗖?,4,6 意味著光束在源平面光強(qiáng)分布為2,4,6 個(gè)花瓣.圖7 顯示子光束拓?fù)浜上嗖钤酱蟮碾p模渦旋光束的OAM 在大氣傳輸中隨風(fēng)向的變化越穩(wěn)定,并且OAM 值大小隨風(fēng)向角度具有周期性的變化.這是因?yàn)樽庸馐負(fù)浜刹钪翟酱蟮碾p模渦旋光束,該光束的對(duì)稱軸越多,沿著對(duì)稱中心旋轉(zhuǎn)一周,能與原光斑重合多次,因此其OAM 值具有周期性,并且隨風(fēng)向的變化更穩(wěn)定.

圖7 v=3 m/s 時(shí),不同雙模渦旋光束的OAM 隨θ 變化Fig.7.OAM of different dual-mode vortex beams versus θ at v=3 m/s.

5 位錯(cuò)奇點(diǎn)演化

渦旋光束具有相位奇點(diǎn),奇點(diǎn)處的相位具有不確定性且光強(qiáng)為0,可以定義為[30]

其中Re[·]為取其實(shí)部.將兩束拓?fù)浜上喾吹臏u旋光束疊加,其光強(qiáng)為零且相位不確定的位置是一條直線,相位越過(guò)這條線有π 的變化[31],可以稱之為線刃型位錯(cuò)線,即光場(chǎng)的實(shí)部為零和虛部為零的位置是重合的一條線.在熱暈效應(yīng)影響下位錯(cuò)線呈現(xiàn)怎樣的演化情況呢?

圖8 為在自由空間和大氣傳輸中l(wèi)1=1,l2=—1 模疊加后的位錯(cuò)線與風(fēng)向夾角不同的演化情況,其中藍(lán)色箭頭表示風(fēng)的方向,紅色實(shí)線和黑色虛線分別表示光場(chǎng)實(shí)部和虛部等于零的位置.研究發(fā)現(xiàn),線刃型位錯(cuò)線的演化和風(fēng)向有關(guān).當(dāng)風(fēng)向與位錯(cuò)線方向垂直時(shí),線刃型位錯(cuò)線消失(圖8(a2),(a3));當(dāng)風(fēng)向和位錯(cuò)線的方向一致時(shí),位錯(cuò)線一直保持不變(圖8(c2),(c3));當(dāng)風(fēng)向與位錯(cuò)線的夾角是其他角度時(shí),線刃型位錯(cuò)線消失演化為一對(duì)渦旋奇點(diǎn)(圖8(b2),(b3)).

圖8 l1=1,l2=—1 時(shí),線刃型位錯(cuò)奇點(diǎn)在自由空間和大氣中的演化Fig.8.Evolution of linear edge dislocation singularity in free space and in the atmosphere at l1=1 and l2=—1.

為深入分析熱暈效應(yīng)對(duì)線刃型位錯(cuò)線演化影響的原因,圖9 給出了拓?fù)浜蓴?shù)為l1=1,l2=—1模疊加的雙模渦旋光束在不同風(fēng)向下橫截面的能流圖.由圖9(a)可見此模式的雙模渦旋光束初始光強(qiáng)分布為兩個(gè)花瓣,且攜帶的總OAM 為零,在自由空間中傳輸時(shí)不發(fā)生旋轉(zhuǎn).定義風(fēng)向與線刃型位錯(cuò)線(紅色虛線,假設(shè)向上為正軸)夾角為φ.圖9(b)—(d)分別是圖8(a3)—(c3)對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)和能流圖.當(dāng)風(fēng)向與位錯(cuò)線方向垂直時(shí)(φ=90°),右側(cè)光斑能流向左側(cè)移動(dòng),導(dǎo)致原來(lái)光強(qiáng)為零的豎線消失 (圖9(b)).當(dāng)風(fēng)向和位錯(cuò)線的方向一致時(shí)(φ=0°),熱暈效應(yīng)不會(huì)使能流在兩個(gè)花瓣之間流動(dòng),并沒有改變光強(qiáng)為零的位置,光強(qiáng)分布依然是分為兩個(gè)部分(圖9(d)),因此位錯(cuò)線始終存在.當(dāng)風(fēng)向與位錯(cuò)線是其他夾角時(shí),能流向著左上方移動(dòng)(圖9(c)),填充了左上方光強(qiáng)為零的位置,右下方依然存在光強(qiáng)為零的地方,即出現(xiàn)渦旋對(duì).本節(jié)研究的線刃型位錯(cuò)奇點(diǎn)在不同風(fēng)向的大氣中演化對(duì)激光通信具有重要理論指導(dǎo)意義.

圖9 l1=1,l2=—1 時(shí),風(fēng)向不同的雙模渦旋光束橫向能流圖Fig.9.Transverse energy flow of dual-mode vortex beams under different wind direction,l1=1 and l2=—1.

6 結(jié)論

本文研究了不同風(fēng)向和風(fēng)速下大氣熱暈效應(yīng)對(duì)雙模渦旋光束OAM 和相位奇異性的影響.研究發(fā)現(xiàn),熱暈效應(yīng)對(duì)OAM 的影響與風(fēng)向密切相關(guān).在一定風(fēng)向角度下,熱暈效應(yīng)對(duì)OAM 的增大起到促進(jìn)作用,如子光束拓?fù)浜刹钪禐? 的雙模渦旋光束,在風(fēng)向與光束夾角為0 ＜θ＜ 50°時(shí),風(fēng)速越小,OAM 值越大,并且存 在最佳角度(θ≈20°)使OAM 達(dá)到最大,且大于自由空間中的OAM值.模式越高的光束需要更小的風(fēng)速才能使得OAM值超過(guò)自由空間中的值.特別地,在一定風(fēng)向角度下,熱暈效應(yīng)使得雙模渦旋光束的OAM 值超過(guò)單模光束的值,可見在光通信領(lǐng)域中雙模渦旋光束有一定的優(yōu)勢(shì).另外,雙模渦旋光束兩個(gè)子光束拓?fù)浜刹钪翟酱?花瓣數(shù)越多,在大氣傳輸中不同風(fēng)向的熱暈效應(yīng)影響下,其OAM 值越穩(wěn)定.

另一方面,還研究了風(fēng)控?zé)釙炐?yīng)對(duì)線刃型位錯(cuò)奇點(diǎn)演化的影響,結(jié)果表明,線刃型位錯(cuò)奇點(diǎn)和風(fēng)向垂直時(shí),位錯(cuò)線消失;線刃型位錯(cuò)奇點(diǎn)和風(fēng)向平行時(shí),位錯(cuò)線始終存在;線刃型位錯(cuò)奇點(diǎn)和風(fēng)向夾角為其他角度時(shí),位錯(cuò)線會(huì)演化為光學(xué)渦旋對(duì).本文所得的結(jié)論對(duì)激光大氣傳輸和光通信領(lǐng)域具有理論指導(dǎo)意義.值得指出的是,激光在大氣中傳輸會(huì)引發(fā)多種線性和非線性效應(yīng).通常,大氣湍流被認(rèn)為是線性效應(yīng),熱暈效應(yīng)是非線性效應(yīng).大氣湍流效應(yīng)與熱暈效應(yīng)是互相耦合的,如湍流會(huì)使光束擴(kuò)展,功率密度降低,致使熱暈效應(yīng)減小等.激光大氣傳輸是一個(gè)非常復(fù)雜的問題,本文暫時(shí)只考慮了熱暈效應(yīng),而熱暈和湍流的綜合效應(yīng)對(duì)雙模渦旋光束OAM 和相位奇異性的影響是非常值得進(jìn)一步研究的課題.