题目：电磁波束的轨道角动量在空间通信中的研究

涡旋电磁波束, 是中心强度为零且具有螺旋状相位波前的奇点波束.涡旋电磁波束携带 的相位因子，其中 称为拓扑荷。近年来，涡旋光束在生物医学、光学遥感、信息传输等领域得到了极大的重视.特别是在空间通信领域，涡旋电磁波束因其可以极大的增强系统保密性和系统容量而具有非常重要的意义。本论文主要以拉盖尔-高斯光束为例对涡旋波束的产生及其在大气湍流中的传输进行了研究，重点研究了拉盖尔-高斯光束在非Kolmogorov湍流中传输的误码率以及系统容量。

本文研究的内容是国家自然科学基金“基于毫米波束轨道角动量的空间通信理论与方法研究”（61101005）和“涡旋激光束的大气遥感机理与探测方法研究”（41140035）项目的内容，论文取得的主要创新点为

1、从理论上研究了涡旋光束的产生。首先，利用涡旋波束和平面波束进行干涉得到计算全息图，并将其加载到空间光调制器上。然后用平面波照射空间光调制器，产生涡旋光束。

2、基于利托夫近似和广义惠更斯-菲涅尔原理，从理论上研究了拉盖尔-高斯光束在非Kolmogorov湍流中的传输时的螺旋谱特性。研究结果表明，当拓扑荷、光束波长、湍流内尺度、外尺度、折射率结构常数增大时，LG光束受到的影响增大，螺旋谱弥散加重。螺旋谱弥散首先随着指数参数 的增大而减小，当达到最低点后（ 大约为3.1），随着 的增大而增大

3、在理论上，对基于拉盖尔-高斯光束的空间通信系统在非Kolmogorov湍流中进行斜程传输时的系统容量进行了研究。研究结果表明，天顶角、湍流内尺度减小，光束波长、结构常数、湍流外尺度对系统容量有不同程度的影响。

4、利用随机相位屏法，模拟携带轨道角动量的拉盖尔-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，对大气湍流的影响进行数值模拟。通过改变拓扑荷以及光束波长等参数，研究大气湍流对拉盖尔-高斯光束的螺旋谱等系统性能的影响。仿真结果表明，大气湍流会导致系统性能的下降。而且，系统性能与拓扑荷以及激光波长等密切相关。拓扑荷越大，螺旋谱弥散越严重；随着波长的增加，系统性能变好。