光子高阶轨道角动量制备_调控及传感应用研究进展_陈理想

光子高阶轨道角动量制备_调控及传感应用研究进展_陈理想
光子高阶轨道角动量制备_调控及传感应用研究进展_陈理想

基于轨道角动量的传输系统仿真

Open Journal of Circuits and Systems 电路与系统, 2018, 7(2), 36-44 Published Online June 2018 in Hans. https://www.360docs.net/doc/271123363.html,/journal/ojcs https://https://www.360docs.net/doc/271123363.html,/10.12677/ojcs.2018.72005 Simulation of Transmission System Based on Orbital Angular Momentum Honglin Jiang1,2, Wenxing Wang2, Jingjing Yang2, Ming Huang2 1Honghe State Radio Management Office, Mengzi Yunnan 2Key Laboratory for Spectrum Sensing and Borderlands Radio Safety of High Education in Yunnan Province, Kunming Yunnan Received: May 23rd, 2018; accepted: Jun. 12th, 2018; published: Jun. 19th, 2018 Abstract As a novel, safe and high efficient spectrum utilization technology, orbital angular momentum (OAM) has attracted a great deal of attention in scientific community. Based on Matlab toolbox, OAM transmission system using FSK modulation is established. The effect of OAM mode number and multiple M-ary frequency-shift keying on bit error rate is analyzed. A simulation model of OAM multiplexing transmission system was established, and the error performance of the multip-lexing transmission system was studied. The orthogonality of different OAM modes and the prin-ciple of efficient use of spectrum are verified by simulation. A multi-path OAM transmission sys-tem model is established, and the relationship between the bit error rate and the signal-to-noise ratio of the transmission system when using different baseband modulation and demodulation methods is studied. Finally, a Matlab-based GUI interface was designed to display the electric field intensity, energy density, phase change, multiplex transmission, coding and decoding process in OAM transmission system, and the security of OAM transmission was discussed. Keywords Wireless Communication, Radio Spectrum, Obital Angular Momentum, Transmission System Model, Matlab 基于轨道角动量的传输系统仿真 蒋洪林1,2,王文星2,杨晶晶2,黄铭2 1红河州无线电管理办公室,云南蒙自 2云南省高校谱传感与边疆无线电安全重点实验室,云南昆明 收稿日期:2018年5月23日;录用日期:2018年6月12日;发布日期:2018年6月19日

光子角动量_nsfc2013a

奇异光场中光子角动量的研究 二、报告正文 (一)项目的立项依据与研究内容 1、项目的立项依据 光子角动量是光波中除了强度、相位和偏振以外的另一重要特性。虽然不是任意光束都会存在角动量,但其具有十分重要的研究和应用意义。近年来,对于光子角动量的研究和应用成为光学的许多领域中前沿,例如:量子光学[1,2,8],纳米光学[3,4],衍射光学[5,6],非线性光学[7]等。与经典力学相同,光子角动量被表达为r×p,其中r为光子相对参考点的位置,p为光子线动量,被定义为p=ε0E×B,ε0为电介质常数,E和B分别为电场和磁场振幅。可以看出只有在沿轴向具有电场或磁场分布的光场可以存在角动量。因此,对于理想情况下的平面光波场中不可能存在角动量。但在实际光束的产生和传播过程中,电磁场在受到自身尺寸或光学器件等光瞳的影响,形成沿轴向的分量,从而具有角动量。因此光子角动量广泛存在于光场中。光子角动量可分为两种类型:自旋角动量和轨道角动量。前者指光子微扰自身旋转形成的角动量;后者指光子在传输过程中围绕光轴旋转。 针对这两种角动量,两种典型的光束引起的角动量得到了大量的研究:圆偏振光束中的光子自旋角动量;具有螺旋相位结构的涡旋光束中的轨道角动量。1909年,Poynting首次提出在圆偏振光场中存在以?为单位的角动量11,随后被Beth实验上通过圆偏振光旋转双折射物体证实12。自旋角动量存在较简单的两种值+?或-?,取决于圆偏振光的旋转方向。因此人们针对这种角动量的基础研究基本停止。但对光子自旋角动量的应用研究取得了巨大的进展。除了利用其进行光操控技术外13 14,圆偏振光可以利用光子自旋角动量与自旋材料相互作用控制磁序材料中电子的自旋15。2012年,Heinz课题组在二硫化钼单层材料上利用圆偏振光开创了对valley自由度(valleytronics)的控制的可能性16。 光子轨道角动量真正引起人们注意是在1992年,Allen等理论上预言了具有螺旋相位的光场可以产生以?为单位的角动量,并且该角动量可以在实验上实现7。与自旋角动量不同,轨道角动量由于取决于光波场中螺旋相位的拓扑荷值,光子可以携带的轨道角动量没有理论上限,即可以远远大于?,例如Fickler利用计算全息技术实现了300?的轨道角动量1。实验上实现这种很大的光子轨道角动量在过去的十年中对轨道角动量的应用得到了巨大的发展9。光子轨道角动量由于可以具有较大的值从而在操控微粒时产生较大的扭矩,被大量应用于光镊技术中6,21。Wang等2011年将光子轨道角动量作为一个新的自由度应用与光通信中,通过对轨道角动量的波分复用实现了自由空间中兆兆比特的数据传输17,18。欧洲物理学会的物理世界(https://www.360docs.net/doc/271123363.html,)揭露了2012年的十大物理突破之一是:缠绕扭曲光束,即利用轨道角动量形成缠绕光子对的新技术实现了对300对缠绕光子的操控19,是以前缠绕光子对的十倍以上。这种角动量的量子缠绕可以被用于量子通讯、量子计算等。更有趣的是,携带有轨道角动量的光束可以用于特殊形貌的微纳加工20、大气通信22和天体研究23等领域。虽然形成这两种角动量的机制不同,但在特定光场中,二者可以相互转化。例如圆偏振光经过特殊衍射元件24,或被强聚焦25后均可以实现自旋和轨道角动量之间的互相转换。这两种角动量之间的转化可以为量子通信、光学操控等提供更多的自由度。 从上述光子角动量的研究进展可以看出人们对其的基础和应用研究在过去的两年内得到了迅猛发展。可以预计在未来的五到十年内将会成为光学领域的研究热点,同时相关研究可以应用到任意其它自然界中存在的波动系统中(包括微波28、物质波29、电子波27等)。迄今为止,国际上许多小组都开展了光子角动量方面的研究,包括美国的普林斯顿大学、加

L=l1l2=01=1则总轨道角动量

作业7: 2.18 写出Be 原子的Schr?dinger 方程,计算其激发态2s 12p 1的轨道角动量与磁矩。 解:1) Be 原子有四个核外电子(其基态电子组态为:1s 22s 2), 若不考虑核运动且采用原 子单位,则其Schr?dinger 方程为:ψ=ψE H ? 其中 ∑∑∑∑=>==+-?-=414414121421?i i j ij i i i i r r H 2) Be 的激发态2s 12p 1, 两个价电子的轨道角动量加合后总轨道角动量量子数为: L = l 1 + l 2 = 0 + 1 = 1 则总轨道角动量 2L M = = 磁矩 e e μ== 2.20 根据Slater 规则, 计算Sc 原子4s 和3d 轨道能量。 解:Sc : 1s 22s 22p 63s 23p 63d 14s 2 根据slater 近似方法: 其3d 轨道只有一个电子,屏蔽常数 18=σ )(6.13)3 1821()*(223eV R n Z R E d -=--=--=σ 4s 轨道有两个电子,屏蔽常数18101985.0135.0=?+?+?=σ )(94.8)7 .31821()*(224eV R n Z R E s -=--=--=σ 2.21 简要说明Li 原子1s 22s 1态与1s 22p 1态能量相差很大(14904cm -1),而Li 2+的2s 1与2p 1 态几近简并(只差2.4cm -1)的理由。 要点: 理解原子轨道的空间量子化以及单电子体系和多电子体系的根本区别在于电子-电子相互作用。 由于原子轨道的空间量子化,多电子体系的价电子处于不同的原子轨道时和内层电子之间的排斥作用会明显不同; 但对于单电子体系,不存在电子-电子相互作用,这种空间量子化不会导致同一主量子层内各原子轨道能级的不同。 答: 1) Li 2+为类氢离子,其核外仅有一个电子,其原子轨道能级仅由主量子数决定,即2)()(n Z R E nlm -= , 因为其2s 与2p 轨道主量子数相同、轨道能级简并,因此,2s 1与2p 1 态几近简并。 2) Li 原子核外有三个电子,由于电子-电子的相互作用以及2s 和2p 轨道的空间量子化,当价电子分别在2s 轨道和2p 轨道时, 2p 轨道径向分布函数只有一个极大值点 (n-l 个局域极大值点);2s 轨道的径向分布函数则有两个极大值点,其中一个靠近核,即2s 轨道比2p 受到更弱的内层电子排斥作用和更大的核-电子吸引力,因而其价层2s 和2p 轨道的能级分裂,且2s 轨道能量远低于2p 轨道, 1s 22s 1态与1s 22p 1态能量相差很大。 2.22 根据Slater 规则,求Ca 原子的第一、二电离能。 解:Ca 原子基态组态为: 1s 22s 22p 63s 23p 64s 2; Ca +离子基态组态为: 1s 22s 22p 63s 23p 64s 1; Ca 2+离子基态组态为:1s 22s 22p 63s 23p 64s 0; 因此有:)(2)(8)(8)(243,32,21Ca E Ca E Ca E Ca E E s p s p s s Ca +++= )()(8)(8)(243,32,21+++++++=+Ca E Ca E Ca E Ca E E s p s p s s Ca )(8)(8)(223,322,2212+++++=+Ca E Ca E Ca E E p s p s s Ca 而上述原子或离子的内层电子排布情形完全相同,因此其内层电子(1s--3p)的屏蔽常数和能量亦相同,即:

ON光通信中轨道角动量技术及应用前景分析

研究与开发 光通信中轨道角动量技术及应用前景分析* 赖俊森,吴冰冰,赵文玉,张海懿 (工业和信息化部电信研究院通信标准研究所北京100191) 摘 要:轨道角动量是未来进一步提升光网络容量的新型技术,近几年逐步成为超高速光通信领域的研究热 点。在介绍轨道角动量技术机理及最新研究进展的基础上,进一步分析了轨道角动量所面临的技术挑战,同时对其未来应用前景进行了探讨及展望。关键词:轨道角动量;光通信;前景分析 doi:10.3969/j.issn.1000-0801.2014.05.007 Application and Analysis of Orbital Angular Momentum Technology in Optical Communication Lai Junsen,Wu Bingbing,Zhao Wenyu,Zhang Haiyi (Research Institute of Telecommunications Transmission (RITT ), China Academy of Telecommunication Research of MIIT,Beijing 100191,China ) Abstract:Orbital angular momentum,which is considered as a promising solution for future improvement of optical network capacity,has become a research focus in ultra -high speed optical communication.The principle and latest research progress of orbital angular momentum technology in optical communication were reviewed;the challenges and application prospect of the technology were also analyzed. Key words:orbital angular momentum,optical communication,prospect analysis * 国家自然科学基金资助项目(No.61171076,No.61201260),国家高技术研究发展计划(“863”计划)基金资助项目(No.2012AA011303,No.2013AA013402) 1引言 云计算、物联网、移动互联网等新兴技术和业务的高 速发展对光传送网络的带宽容量提出了越来越高的要求。随着40Gbit/s 和100Gbit/s 等波分复用(WDM )传输系统的逐步商用,光信号电磁波属性中的强度、频率(波长)、相位和偏振态等维度均已用于信号表征来提升单纤传输容量,在现有基础上无法继续采用增加光信号电磁波表征维度的方式进行扩容,只能通过诸如光谱滤波频谱压缩、提高调制速率或者调制阶数的方法来进一步提高频谱效率, 由于受到非线性香农极限和实际传输距离等限制,这些技术很难带来单纤传输容量的突破性提升,未来单纤传输容量的增加面临严峻挑战。 因为光信号具有波粒二象性,业界开始研究是否可以采用光粒子特性进行光通信传输容量扩容,其中的轨道角动量(orbital angular momentum ,OAM )为可选参数之一。本文在介绍OAM 技术原理和最新研究进展的基础上,进一步分析了OAM 技术在研究及应用中所面临的技术挑战,同时对于OAM 技术在未来光通信领域的应用前景进行讨论及展望。 研究与开发

磁矩与角动量

1 引论 1.1 磁矩 1.1.1 磁矩与角动量 1.1.2 旋进 1.1.3 Bohr磁子 1.1.4 磁化强度与场 1.2 经典力学与磁矩 1.2.1 正则动量 1.2.2 Bohr-vail Leeuwen定理1.3 自旋的量子力学 1.3.1 轨道与自旋角动量 1.3.2 Pauli自旋矩阵与旋量1.3.3 升降算子 1.3.4 二自旋的耦合 2 孤立磁矩 2.1 磁场中的原子 2.2 磁化率 2.3 抗磁性 2.4 顺磁性 2.4.1 顺磁性的半经典处理2.4.2 J=1/2的顺磁性 2.4.3 Brillouin函数 2.4.4 Van Vleck顺磁性 2.5 离子的基态与Hund规则2.5.1 精细结构 2.5.2 Hund定则 2.5.3 L-S与j-j耦合 2.6 绝热去磁 2.7 核自旋 2.8 超精细结构 3 环境 3.1 晶体场 3.1.1 晶体场的起源 3.1.2 轨道猝灭 3.1.3 Jahn-Teller效应 3.2磁共振技术 3.2.1 核磁共振 3.2.2 电子自旋共振 3.2.3 Mossbauer谱 3.2.4 μ子自旋旋转 4 相互作用

4.1 磁偶极相互作用 4.2 交换相互作用 4.2.1 交换的起源 4.2.2 直接交换 4.2.3 离子固体中的间接交换:超交换作用4.2.4 金属中的间接交换 4.2.5 双交换作用 4.2.6 各向异性交换相互作用 4.2.7 连续统近似 5 序与磁性结构 5.1 铁磁性 5.1.1 铁磁体的Weiss模型 5.1.2 磁化率 5.1.3 磁场的作用 5.1.4分子场的起源 5.2 反铁磁性 5.2.1 反铁磁体的Weiss模型 5.2.2 磁化率 5.2.3 强磁场的作用 5.2.4 反铁磁序的类型 5.3 亚铁磁性 5.4 螺旋序 5.5 自旋玻璃 5.6 核有序 5.7 磁序的测量 5.7.1 磁化强度与磁化率 5.7.2 中子散射 5.7.3 其他技术 6 序与破缺的对称性 6.1 破缺的对称性 6.2 模型 6.2.1 铁磁性的Landau理论 6.2.2 Heisenberg与Ising模型 6.2.3 一维Ising模型(D=1,d=1) 6.2.4 二维Ising模N(D=1,d=2) 6.3 破缺对称性的后果 6.4 相变 6.5刚性 6.6 激发 6.6.1 磁子 6.6.2 BlochT3/2定律 6.6.3 Mermin-Wagner-Berezinskii定理

【CN110186559A】一种涡旋光束轨道角动量模态的检测方法及装置【专利】

(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910317271.2 (22)申请日 2019.04.19 (71)申请人 深圳大学 地址 518060 广东省深圳市南山区南海大 道3688号 (72)发明人 陈书青 赖玉财 贺炎亮 王佩佩  刘俊敏 吴粤湘 李瑛 张小民  范滇元  (74)专利代理机构 深圳市君胜知识产权代理事 务所(普通合伙) 44268 代理人 王永文 刘文求 (51)Int.Cl. G01J 1/42(2006.01) (54)发明名称 一种涡旋光束轨道角动量模态的检测方法 及装置 (57)摘要 本发明提供的一种涡旋光束轨道角动量模 态的检测方法及装置,所述方法包括:提取训练 用涡旋光衍射图的特征参数,使用所述训练用涡 旋光衍射图的特征参数对前馈神经网络进行多 次迭代训练,得到训练后的前馈神经网络;提取 任意一张待检测涡旋光衍射图的特征参数,将所 述待检测涡旋光衍射图的特征参数输入到训练 后的前馈神经网络,得到代表轨道角动量模态的 二进制序列。训练后的前馈神经网络对图像有很 强的识别能力,能够对涡旋光轨道角动量的模态 进行快速且准确的检测,在光学OAM通信和量子 通信等领域具有广阔的应用前景。权利要求书2页 说明书8页 附图2页CN 110186559 A 2019.08.30 C N 110186559 A

权 利 要 求 书1/2页CN 110186559 A 1.一种涡旋光束轨道角动量模态的检测方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤: 提取训练用涡旋光衍射图的特征参数,使用所述训练用涡旋光衍射图的特征参数对前馈神经网络进行多次迭代训练,得到训练后的前馈神经网络; 提取任意一张待检测涡旋光衍射图的特征参数,将所述待检测涡旋光衍射图的特征参数输入到训练后的前馈神经网络,得到代表轨道角动量模态的二进制序列。 2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述提取训练用涡旋光衍射图的特征参数,使用所述训练用涡旋光衍射图的特征参数对前馈神经网络进行多次迭代训练包括依次重复以下步骤: 将涡旋光调制成畸变涡旋光; 对所述畸变涡旋光进行衍射处理得到训练用涡旋光衍射图; 提取所述训练用涡旋光衍射图的特征参数,使用所述训练用涡旋光衍射图的特征参数训练前馈神经网络。 3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述将涡旋光调制成畸变涡旋光的步骤前还包括: 改变光源出射的高斯光束的偏振方向得到高斯光,并将所述高斯光调制成涡旋光。 4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述提取训练用涡旋光衍射图的特征参数的步骤包括: 从训练用涡旋光衍射图中选取i×i的衍射级作为训练用特征提取对象; 提取所述训练用特征提取对象中每个衍射级的最大值、平均值和方差作为训练用涡旋光衍射图的特征参数。 5.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述使用所述训练用涡旋光衍射图的特征参数训练前馈神经网络的步骤包括: 将所述训练用涡旋光衍射图的特征参数输入到前馈神经网络,得到输出值,根据输出值计算出损失值; 将所述损失值反向传播到前馈神经网络,修改所述前馈神经网络的参数。 6.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述训练用涡旋光衍射图为光斑呈阵列排布的衍射图,每个光斑所在位置对应一个衍射级。 7.一种涡旋光束轨道角动量模态的检测装置,其特征在于,所述装置包括:CCD图像传感器和计算机设备; 所述CCD图像传感器包括:参数提取模块; 所述参数提取模块,用于提取训练用涡旋光衍射图的特征参数和提取任意一张待检测涡旋光衍射图的特征参数; 所述计算机设备包括:神经网络训练模块和模态检测模块; 所述神经网络训练模块,用于使用训练用涡旋光衍射图的特征参数对前馈神经网络进行多次迭代训练,得到训练后的前馈神经网络; 所述模态检测模块,用于将所述任意一张待检测涡旋光衍射图的特征参数输入到训练后的前馈神经网络,得到代表轨道角动量模态的二进制序列。 8.根据权利要求7所述的一种装置,其特征在于,所述装置还包括第一空间光调制器、第二空间光调制器和二维叉型光栅; 2

拉盖尔-高斯光束及其轨道角动量

原创性声明 本人声明:所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已发表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名:日期: 本论文使用授权说明 本人完全了解南通大学有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权保留论文及送交论文复印件,允许论文被查阅和借阅;学校可以公布论文的全部或部分内容。 (保密的论文在解密后应遵守此规定) 学生签名:指导教师签名:日期:

课题名称拉盖尔-高斯光束及其轨道角动量出题人 课题表述(简述课题的背景、目的、意义、主要内容、完成课题的条件、成果形式等) 光的偏振指光矢量的振动状态,是光场的重要属性,我们最熟悉的三种偏振状态如线偏振、圆偏振和椭圆偏振都属于均匀偏振,具有这三类均匀偏振的光束称为标量光束。相对于均匀偏振光,非均匀偏振光称为矢量光束。最近,矢量光束引起了人们的研究兴趣。矢量光束的偏振态复杂多变,具有标量光束所不具备的一些特性,可以广泛应用于导引和俘获粒子、电子加速、高分辨显微镜、金属切割、高密度存储及生物医学等方面。本课题的主要内容为,计算矢量拉盖尔-高斯光束的角动量,并讨论其潜在的应用。成果形式为论文。 课题类型理论型√设计型实 验 型 计 算 型 教 学 型 课题来源科 研 横 向实验室 建设 自 拟 √ 其 它纵 向 拟接受学 生情况 有较为扎实的数理方法基础,有一定的分析综合能力。 教研室意 见 教研室主任签名:______________ ________年________月________日 学院意见 院长签名:____________________ ________年________月________日注:1、此表一式三份,学院、教研室、学生档案各一份。 2、课题来源是指:1.科研,2.社会生产实际,3. 其他。 3、课题类别是指:1.毕业论文,2.毕业设计。 4、教研室意见:在组织专业指导委员会审核后,就该课题的工作量大小,难易程度及是否符合专业培养目标和要求等内容提出具体的意见和建议。 5、学院可根据专业特点,可对该表格进行适当的修改。

自由空间轨道角动量无线光通信研究进展

期 自由空间轨道角动量无线光通信研究进展 Research progress on free space orbital angular momentum wireless optical communication WANG Wei1,2,3,LI Xiaoji1,2*,REN Yaping3,DU Weihai1,2,3,LIU Zhihong3 (1.Key Laboratory of Cognitive Radio and Information Processing of Ministry of Education,Guilin University of Electronic Technology, Guilin Guangxi541004,China;2.Guangxi Experiment Center of Information Science,Guilin Guangxi541004,China; 3.School of Marine Information Engineering,Guilin University of Electronic Technology,Beihai Guangxi536000,China) Abstract:Orbital angular momentum(OAM)provides a novel information modulation degree for wireless optical communica-tion,which can promote the channel capacity and spectral efficiency tremendously.Currently,the OAM wireless optical commu-nication regime has attracted the highly interest of academic community.Firstly,this paper reviews the communication approach-es of OAM wireless optical communication,then investigates the random phase screen for atmospheric turbulence,transmission characteristics of OAM under atmospheric turbulence and mitigation schemes for atmospheric turbulence effects.And some ap-plication prospects and research trends for OAM wireless optical communication are discussed finally. Key words:orbital angular momentum;wireless optical communication;atmospheric turbulence 王伟1,2,3,李晓记1,2*,任亚萍3,杜卫海1,2,3,刘致宏3 (1.桂林电子科技大学认知无线电与信息处理教育部重点实验室,广西桂林541004; 2.广西信息科学实验中心,广西桂林541004; 3.桂林电子科技大学海洋信息工程学院,广西北海536000) 摘要:轨道角动量(OAM)为无线光通信提供了新的信息调制维度,极大地提升了系统的信道容量和频谱利用率。目前,基于OAM的新型无线光通信体制引起了学术界的极大关注。首先介绍了通信方式,其次依次综述了大气湍流随机相位屏、大气湍流下传输特性和大气湍流效应抑制策略,最后展望了自由空间OAM无线光通信的应用前景和研究趋势。 关键词:轨道角动量;无线光通信;大气湍流 中图分类号:TN929.1文献标识码:A文章编号:1002-5561(2019)04-0012-06 D OI:10.13921/https://www.360docs.net/doc/271123363.html,ki.issn1002-5561.2019.04.003开放科学(资源服务)标识码(OSID): 0引言 随着“互联网+”和大数据时代的到来,物联网、云 计算数据中心和移动互联网等带宽消耗型业务的不 断增加,给现有无线通信系统带来了巨大的压力和挑 战。研究显示,在今后的10~30年里,信息流量需求预 计将会有2~4个数量级的增长[1]。随着光波的基本维 度(幅度、相位、频率/波长、偏振和时间等)资源均已被 开发利用,无线光通信已经开始出现新的容量危机[2]。 因此,如何持续满足不断增长的信息容量需求,确保 高速信息的畅通传输,已经成为了无线光通信亟待解 决的问题。轨道角动量(OAM)无线光通信利用了光波 的空间自由度这一信息调制维度资源,可以有效提升 通信链路的传输容量和频谱利用率[3],同时,相对于传 统无线光通信更具有安全性[4]。 1992年,L.Allen等人发现具有空间螺旋相位因子 exp的拉盖尔-高斯(Laguerre-Gaussian,LG)光束携 有OAM[5]。每个光子携带的OAM为,其中为拓扑 荷数,的取值可以为任意整数;为方向相位角;为 OAM的模态值(也称模式值或本征态值),其值为普朗收稿日期:2018-12-26。 基金项目:国家自然科学基金项目(编号:61761014)资助;广西信息科 学实验中心平台建设项目(编号:PT1604)资助;广西研究生教育创新计 划项目(编号:YCSW2019152)资助。 作者简介:王伟(1990-),男,湖南湘乡人,硕士研究 生,研究方向为水下无线光通信,现就读于桂林电子 科技大学认知无线电与信息处理教育部重点实验室, 参与国家自然科学基金项目1项,其他科研项目1 项,参加国际学术会议1次。 *通信作者:李晓记(E-mail:46941917@https://www.360docs.net/doc/271123363.html,)。 引用本文:王伟,李晓记,任亚萍,等:自由空间轨 道角动量无线光通信研究进展[J].光通信技术,2019,43(4):12-17. 无线光通信 12〇 2019年第4

轨道磁矩与轨道角动量

原子的轨道磁矩与轨道角动量 电子作轨道运动,产生轨道角动量 其轨道运动形成轨道磁矩 运动一周,经过的电荷量为,故,有 上式表明轨道磁矩(由于电子的轨道运动而形成的磁矩,故称为轨道磁矩)正比于轨道角动量,在同一条直线上,方向相反。其 大小定义为 磁矩在磁场的作用下,一是受到力矩的作 用,二是产生势能。对于力矩,有

上面的式子表明,磁矩或角动量在磁场的作用下,使 得它们(角动量或磁矩)绕外场方向不断地旋转,但并不改变它们的大小。由于是角动量这一矢量绕外场旋转,这种旋转称为进动。 为相应的角频率,很明显,B越大,角频率也越大,意味着角动量绕外场方向的旋转将更快。 这个角频率不同于自由电子进入均匀磁场中做圆周运动的角速度:对于在磁场中做圆周运动的电子,洛仑兹力=向心力,有 也就是说,自由电子进入均匀磁场中做圆周运动的角频率与轨道角动量绕磁场坐进动的圆频率是不相同的,不可混淆。 一个问题:没有外场时,角动量不会绕外场旋转,加了外场后,会有额外的能量使得角动量绕外场旋转,这能量由谁来提供呢?这是由外场来提供的。在外场B的作用下,磁矩具有额外的势能U。 对于势能,有 对于轨道磁矩,,所以有

也就是说,越大,能量越高。如果是不均匀磁场,体系将会受到力的作用: 如果我们使得磁场只是沿z轴均匀变化,不随x和y方向变化, 即,则 如果,则磁矩不受力,原子经过不均匀磁场时,将不会发 生偏转,直接出去。 如果,那么,不同的值所受到的力的大小不同,发生的 偏转也不同,那些原子经过不均匀磁场后,打在屏幕上,将会在不同的位置出现条纹。对于给定的一个,有 个不同的值,也就是有个不同的位置出现条纹。 利用这个结论,可以通过屏幕上出现的条纹数目反推 出量子数来。 上面就是施特恩-盖拉赫实验的原理。如果原子空间角动量是量子化的,应该在屏幕上出现分立的条纹。实验证实了这一点,而且还发现偶数条纹,从而提出自旋量子数的假设。

基于光子轨道角动量的无线光通信技术研究

目录 摘要 (i) ABSTRACT ......................................................................................................... i i 第一章绪论 (1) 1.1 课题背景与研究意义 (1) 1.2 国内外研究现状 (2) 1.2.1 光子轨道角动量(OAM)的研究概况 (2) 1.2.2 OAM无线光通信的研究现状 (4) 1.2.3 OAM无线光通信的关键技术 (7) 1.3 论文的结构安排和主要工作 (8) 第二章OAM无线光通信原理 (10) 2.1 OAM的概念和性质 (10) 2.2 OAM光束的产生方法 (14) 2.3 OAM承载信息的基本原理 (16) 2.4 OAM复用和解复用的基本原理 (18) 2.4.1 OAM态直接复用和解复用 (18) 2.4.2 对多个OAM态编码的码分复用和解复用 (18) 2.5 本章小结 (19) 第三章OAM光束在大气湍流中的传输特性研究 (21) 3.1 大气湍流的数学建模 (21) 3.2 光在大气湍流中传输的数值模拟 (22) 3.3 OAM光束在大气湍流中传输的数值模拟 (25) 3.4 大气湍流引起的OAM态间串扰分析 (27) 3.4.1 功率转移因子的期望 (28) 3.4.2 功率转移因子的分布 (31) 3.4.3 串扰因子的模值和相位分布 (33) 3.4.4 串扰因子的复高斯近似 (36) 3.5 功率转移因子的理论推导 (36) 3.6 本章小结 (38) 第四章OAM无线光通信调制解调技术研究 (39) 4.1 强度调制时的发送信号设计 (39)

基于光子轨道角动量腔增强自发参量下转换系统的实验研究

基于光子轨道角动量腔增强自发参量下转换系统的实验研究近二十年来,随着量子信息科学在全球广泛而飞速的发展,光学量子信息处 理作为量子信息科学的一个重要分支领域,逐渐成为国际上研究热点之一。目前,制约光学量子信息处理实验研究的一个重要瓶颈是提高可操作的纠缠光子的数 目和实现多光子纠缠的量子存储,它们直接影响到光学量子信息处理的可扩展性。 基于传统的自发参量下转换方法产生的光子线宽过高(100GHz-1THz),在实 现独立光源之间的干涉,以及基于原子系综、固态体系的量子存储中遇到困难, 腔增强的自发参量下转换方法便应运而生。该方法能够控制光子的线宽,制备出窄线宽(1OMHz-100MHz)的多光子纠缠,很好地解决了线宽过宽的问题,在远程量 子通信、光学量子计算、杂化量子网络等方面有着重要的应用价值。 在提升可操纵的纠缠光子的数目方面,目前,实验上制备十光子纠缠态已经 逐渐接近瓶颈,如果想大幅度提升纠缠量子比特的数目,必须依靠实验方法上的 突破。众所周知,光子具有轨道角动量,表征轨道角动量的量子数能够取任意整数,使得单光子的轨道角动量原理上能构成无穷维的希尔伯特空间,到目前为止,实 验上已经陆续实现了基于轨道角动量的高维量子纠缠态以及相关的应用。 本文是针对部分基于光子轨道角动量的腔增强自发参量下转化系统的研究,重点在以下三个方面:(1)我们采用光场的相位调制和Pound-Drever-Hall(PDH) 稳频技术实现了Fabry-Perot(F-P)干涉仪的稳定;(2)为实现周期极化磷酸氧钛 钾(PPKTP)晶体准相位匹配的温度条件和精度要求,设计一个比例-积分-微分(PID)温度控制系统,控制温度范围5-55℃、稳定性达到0.003℃内,满足了实验要求;(3)自制了标准具,通过PID温度控制系统实现标准具的温度控制,获得稳 定输出的光场。

大气斜程传输中高阶贝塞尔高斯光束轨道角动量的研究

收稿日期:2015-04-05;修订日期:2015-05-10 基金项目:国家自然科学基金(61377080,60977054,61271110);陕西省 13115 科技统筹计划(2011KTCQ01-31);陕西省教育厅产业 化培育基金(2010JC17);西安市科技成果转换基金(CX12165);陕西省自然科学基础研究计划(2013JQ8011);陕西省教育厅 科研计划项目(2013JK1104);陕西省工业攻关科技计划项目(2013K06-08)和江苏省省级前瞻性研究专项资金(BE201308) 作者简介:柯熙政(1962-),男,教授,主要从事无线激光通信方面的研究三Email:xzke@https://www.360docs.net/doc/271123363.html, 大气斜程传输中高阶贝塞尔高斯光束轨道角动量的研究 柯熙政,郭新龙 (西安理工大学自动化与信息工程学院,陕西西安710048) 摘要:大气湍流引起大气折射率随机变化,导致空间不均匀性三高阶贝塞尔光束在大气湍流中传输时,空间不均匀性会使光子波函数改变,形成不同的光子态引起轨道角动量的弥散三在Rytov 近似下,计算了高阶贝塞尔光束在大气斜程传输中各分量所占光束总能量的权重三讨论并对比折射率结构常数,光束波长,天顶角,轨道角动量数,接收孔径和光斑大小等参数对螺旋谱的影响,并给予相应的物理解释三结果表明:随着折射率结构常数,天顶角和传输距离的增加以及光束波长的减小,螺旋谐波主分量对应的谱减小,轨道角动量弥散越大,而且望远镜接收孔径和光斑大小对轨道角动量弥散的影响非常小三 关键词:高阶贝塞尔高斯光束; 大气湍流;轨道角动量;螺旋谱中图分类号:TN929.12文献标志码:A 文章编号:1007-2276(2015)12-3744-06 Orbital angular momentum research of high order Bessel Gaussian beam in a slant atmosphere turbulence Ke Xizheng,Guo Xinlong (The Faculty of Automation and Information Engineering,Xiˊan University of Technology,Xiˊan 710048,China) Abstract:Atmospheric turbulence can cause random variations of the refractive index,resulting in a spatial inhomogeneity.When a high order Bessel Gaussian beam is propagating through the atmospheric turbulence,spatial inhomogeneity can bring about the change of photon wave function that causes the disperse of the orbital angular momentum to form different photon states.Under the Rytov approximation,when the high order Bessel beam was propagating in a slant-path atmospheric turbulence,the weight of the spiral harmonic component of the beam energy was calculated.And then,the impact on the spiral spectrum of the beam propagating in the slant ways,caused by refractive index structure constant,the wavelength of the beam,the zenith,orbital angular momentum,the receiver aperture,spot size were discussed and compared and a series of concrete explanations were given.The research results show that with increasing refractive index structure constant and the zenith and with decreasing wavelength of the beam,the spectrum of the spiral harmonic main component reduces and the orbital angular momentum disperses more serious.The receiver aperture and spot size have little effect on the orbital angular momentum disperse. 第44卷第12期 红外与激光工程2015年12月 Vol.44No.12Infrared and Laser Engineering Dec.2015

两个角动量的耦合及其磁矩

两个角动量的耦合及其磁矩 两个角动量的耦合 假设量子数为和的两个角动量和(它们是角动量,并没有专指是轨道角动量或自旋角动量),它们耦合成一个角动量,即 则 下面证明这一结论。 证明的核心思想是:对于一个给定的量子数, ,或者,反过来,对于一套可以反推求得量子数。 证明: 在外场方向上的分量为 由 用中的每一个值加遍中的所有值,将得到个不 同的值:

即有:。 例1:求耦合所得的。 解一: 即,相应的。 解二: 由可以得到 即,相应的。 例2、求量子数为的两个角动量耦合所得的。解:,所以。 例3、求处于态电子的自旋与轨道角动量的耦合(L-S耦合)。 解:对于态,即电子处于的轨道,对于电子本身而言,具有自旋角动量

电子在轨道上运动时,轨道对应的轨道角动量量子数,所以 有 所以。 例4、求处于态电子的自旋与轨道角动量的耦合。 解:对于轨道上的电子,其自旋量子数,而3d的轨道量子 数由d轨道给出,对于d轨道,其相应的轨道量子数,所以 所以。 学生独立完成的例题:求处于态电子的自旋于轨道角动量的耦合。 例5、两个电子分别处于2p和3p轨道,求总的自旋角动量量子数,总的自旋角动量,总的轨道量子数,总的轨道角动量,以及总的角动量量子数和总角动量。 解: 对于2p上的电子,其自旋量子数; 对于3p上的电子,其自旋量子数 总的自旋量子数 总的自旋角动量

当电子处于2p轨道时,轨道量子数 当电子处于3p轨道时,轨道量子数 总的轨道量子数 总的轨道角动量 总的角动量量子数为,这要分情况讨论: 对于s=1,,有, 对于 对于 对于 注意,上面的结果中,J的大小相同的有很多个,但它们分别属于不同的状态,所以不能合并在一起,只写一个。 该如何区分这些J值相同,但却不同的状态呢?这需要用到所谓的原子态符号来表示。 L-S耦合的原子态符号表示 为了区分的原子所处的状态,引入原子态符号 用总的轨道量子数所对应的大写字母来表示。如对应, ,L则分别用P,D,F,G,H,I…代表。 为总的自旋量子数,如s=1,则2s+1=3,那么就在大写字 母的左上角写上3;如s=0,则2s+1=1,则左上角就写上1;如s=1/2,

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