摘要：近几年以来，随着第五代通信技术的成熟，2020年也即将迎来5G时代；一个物联网时代，一个大数据时代。互联网产业的迅速崛起将带来更多的机遇与挑战。人们日常生活对于通信速率和通信容量的高要求亦促进了无线光通信行业的发展。无线光通信是一种以激光作为载体，采用复用通信技术，通过信道编码与调制，利用涡旋光束在自由空间传输特性来提高无线光通信的传输速率和信道容量。因此，对拉盖尔—高斯光学涡旋的尺寸及传播特性进行了研究。主要内容如下：

本文提及在光学涡旋中研究的一些背景和发展的历史，其次，系统归纳总结其尺寸特性、传播特性等领域上的现状，在这些领域的问题也将在本文中被提及。以郎伯W函数为基础，本文研究拉盖尔—高斯光束尺寸特性并且给出了光束内外径的解析式。在内外径的比值与拓扑电荷的关系上，我们通过理论与数值模拟来证实，得出了内外径和光斑大小的比值为定值以及内外径比值和拓扑电荷有关，和传播距离、束腰半径无关。

首先，通过对轨道角动量的学习探讨研究，了解拉盖尔—高斯光束产生的原理，了解光学涡旋的内外径大小关系及其性质。其次是论证拓扑荷数为1的拉盖尔—高斯光学涡旋的光斑大小与光束内径外径之间的关系等并采用MATLAB程序进行编码，对理论分析和模拟仿真进行对比。最后对拉盖尔高斯光学涡旋在自由空间的传输特性的探究。在了解原理的基础上改变各种条件来探究涡旋光束的传输，如不同的拓扑荷数，改变距离，涡旋光干涉等。

关键词：涡旋光束；传输；轨道角动量

目 录

摘 要

ABSTRACT

第一章  绪论-1

1.1 光学涡旋的研究背景及历史意义-1

1.2 涡旋光束的发展历史-2

1.3光学涡旋的应用-5

1.4本论文研究的主要内容-6

第二章 光学涡旋-8

2.1光学涡旋的原理-8

2.2 拉盖尔—高斯光束-10

2.2.1拉盖尔—高斯光束-10

2.2.2 LG光束的轨道角动量-11

2.3 产生光学涡旋的方法-12

2.3.1 螺旋板相位法-13

2.3.2 全息光栅法-14

2.3.3 液晶空间光调制器法-15

2.4 本章小结-17

第三章 涡旋光的尺寸特性探究-18

3.1 涡旋光尺寸的相关理论研究-18

3.2 关于光学涡旋尺寸的模拟仿真-20

3.3 本章小结-23

第四章 涡旋光的传输特性探究-24

4.1 涡旋光束传输的理论分析-24

4.2 拉盖尔—高斯光束的相位结构-25

4.3 涡旋光束的展宽-27

4.4 本章小结-27

第五章 结论与展望-29

参考文献-30

致  谢-32