[发明专利]一种各向异性介质中极化贝塞尔涡旋波束传输的解析方法

说明书

本发明属于携带轨道角动量的涡旋波束的电磁/光散射与传播技术领域，公开了一种各向异性介质中极化贝塞尔涡旋波束传输的解析方法；首先建立全局坐标系和局部坐标系；利用球矢量波函数对入射极化贝塞尔涡旋波束展开，之后利用球矢量波函数与圆柱矢量波函数的转换关系得到任意斜入射角度的极化贝塞尔涡旋波束的圆柱矢量波函数展开；利用本征平面角谱法得到介质内部场的圆柱矢量波函数展开；建立多层各向异性介质的展开系数级联表达式，求解反射波束与透射波束的展开系数；将展开系数代入对应场强表达式，得到空间内任意点反射场与透射场电场强度和磁场强度。本发明计算涡旋波束在多层各向异性介质中传播时性质改变，计算精度较高，适应范围较广。

技术领域

本发明属于携带轨道角动量的涡旋波束的电磁/光散射与传播技术领域，尤其涉及一种各向异性介质中极化贝塞尔涡旋波束传输的解析方法。

背景技术

目前，业内常用的现有技术是这样的：极化贝塞尔涡旋波束是涡旋波束的一种，其特征是强度呈圆对称环形分布；波前相位呈现螺旋结构，并保持从0至2π的循环渐变，循环次数为波束的拓扑荷数，即波束的轨道角动量(OAM)态。由于极化贝塞尔涡旋波束自身的无衍射和自重建等特性，实际应用中，传播方向上波束的能量损耗能够得到有效的降低，且该过程中波束遇到障碍物后能够很快地恢复原有的场强分布，在数据传输时的抗干扰、误码率等方面要高于普通的平面波束。此外，由于携带不同OAM态的涡旋波束之间互不干扰，所以OAM可以作为一种新型的信息载体，有效提升无线通信系统中的传输数据容量。因此，携带OAM的极化贝塞尔涡旋波束有望在未来的无线通信领域中拥有广阔的应用前景。然而，不同于普通的平面波束，涡旋波束在介质中的传输过程中，除了波束的振幅、相位以及极化等性质会产生畸变，波束的OAM态也会受到一定程度的影响，这种影响在各向异性介质中尤为突出。通过对不同情况下，极化贝塞尔涡旋波束在介质中传输的数值仿真模拟，可以在实际应用之前找到最佳方案，很大程度上减少人力财力的输出。现有的研究波束与介质相互作用的方法主要有传播矩阵法和角谱展开法。前者主要针对平面波束，通过建立传播矩阵来求解反射系数与透射系数，从而求解反射场和透射场的场强分布，而应用于波矢方向与传播方向呈一定夹角的有形波束(极化贝塞尔涡旋波束就是一种典型的有形波束)比较困难，其原因在于对于有形波束，不同空间位置点处波束的入射角各不相同，且与波矢极化角和波束中心轴的入射角存在函数关系，因此空间不同位置处的反射系数与透射系数各不相同并且求解难度较大；后者通过将有形波束展开为平面子波的叠加，可以有效地分析有形波束的传输问题，但是对于非均匀各向异性介质情况(如多层介质板)，由于每一层平面子波的透射系数和反射系数都需要通过迭代的方法来求解，之后对各个子波的场强累加从而得到最终的结果，因此计算过程中难度较大、效率低。

综上所述，现有技术存在的问题是：现有的波束与介质相互作用的方法应用于波矢方向与传播方向呈一定夹角的有形波束比较困难；通过将有形波束展开为平面波束的叠加，可以有效地分析涡旋波束的传输问题，但是对于非均匀各向异性介质情况，计算难度较大、效率低。