原子核的形状及动力学 Liaoning Normal University （2012届） 本科生毕业论文 题目：原子核的形状及动力学 学院：物理与电子技术学院 专业：物理学 班级序号：2班27号 学号：20081125020082 学生姓名：孙丽丽 指导教师：张宇 2012年5月
目录 摘要 (1) 关键词 (1) Abstract (1) Key words (1) 一引言 (2) 二理论模型简介 (2) (一)费米气体模型 (2) (二)液滴模型 (2) (三)壳层模型 (3) (四)集体运动模型 (3) (五)玻色子模型 (3) 三原子核的形状 (4) 四原子核的运动 (4) （一）原子核的单粒子运动 (4) （二）原子核的集体运动 (5) 五原子核的相变 (5) (一) IBM理论及原子核的相变 (6) （二）角动量及原子核的相变 (6) 六小结 (7) 参考文献 (8) 致谢 (9)
原子核的形状及动力学 原子核的形状及动力学 摘要：简要介绍原子核的基本性质，在掌握研究原子核物理学的理论方法基础上，介绍了原子核的单粒子运动和集体运动下原子核的形状，并且总结了原子核的基态相变和角动量引起的相变。 关键词：原子核形状相变；角动量；球形；扁椭球形；长椭球形。 Abstract：The basic properties of nucleus are briefly introduced. And nuclear shape under sing-particle and collective moment are further introduced in detail, and the nuclear ground state phase transition and the phase transition caused by spin are also concluded. Key words：Shape phase transition in nuclei; Angular momentum; Spherical; Oblate; Prolate.
Open Journal of Circuits and Systems 电路与系统, 2018, 7(2), 36-44 Published Online June 2018 in Hans. https://www.doczj.com/doc/5717161715.html,/journal/ojcs https://https://www.doczj.com/doc/5717161715.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
原子核物理基础 概论 原子核是原子的中心体。研究这个中心体的性质、特征、结构和变化等问题的一门学科称为原子核物理学。 一、原子核物理的发展简史 1.1886年 Bequenel发现天然放射性。进一步研究表明，放射性衰变具有统计性质；放射性元素经过衰变（α，β， ）；一种元素会变成另一种元素，从而突破了人们头脑中元素不可改变的观点。 2.1911年 Rutherford α粒子散射实验，由α粒子的大角度散射确定了原子的核式结构模型。 3.1919年α粒子实验首次观察到人工核反应（人工核蜕变）。使人们意识到用原子核轰击另外的原子核可以实现核反应，就象化学反应一样。 4.1932年查德威克中子的发现表明原子核由质子和中子构成，中子不带电荷，易进入原子核引起核反应。 在这件大事中，实际上有我国物理学家的贡献。根据杨振宁先生的一篇文章介绍，我国物理学家赵忠尧在1931年发表了一篇文章，文中预言了中子的存在，但查德威克看了之后未引用，故失去了获得诺贝尔奖的机会。 5.20世纪40年代核物理进入大发展阶段（引用科学史材料）： （1）1939年Hahn发现核裂变现象； （2）1942年Fermi建立第一座链式反应堆，这是人类利用原子能的开端； （3）加速器的发展，为核物理理论和核技术提供了各种各样的粒子流，便于进行各种各样的研究； （4）射线探测器技术的提高和核电子学的发展，改变了人类获取实验数据的能力； （5）计算机技术的发展和应用，一方面进一步改进了人们获取数据，处理核数据的能力，另一方面提供了在理论上模拟各种核物理过程的工具。
例如模拟反应堆中中子的减速、慢化过程等物理过程。 二、核物理的主要研究内容 核物理学可以分为理论和应用两个方面。理论方面是对原子核的结构、核力及核反应等问题的研究。同其它基础研究一样，是为了了解自然、掌握自然规律，为更好地改造自然而开辟道路的。另一方面是原子能和各种核技术的应用，包括民用与军用。这两方面的研究相互联系，相互促进，相互推动向前发展。 三、学习中的要求 掌握基本概念、基本规律、基本计算方法，学习思考问题的基本方法等。 四、读物 ［日］片山泰久，量子力学的世界，科学出版社，1983。 ［美］Ｉ.阿西莫夫，原子能的故事，科学出版社，1980。 冯端，冯步云，熵，科学出版社，1992。 阅读科普读物掌握一点常识。
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.doczj.com/doc/5717161715.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
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：
第八章 原子核物理简介 一、选择题 1．可以基本决定所有原子核性质的两个量是： A 核的质量和大小 B.核自旋和磁矩 C.原子量和电荷 D.质量数和电荷数 2．原子核的大小同原子的大小相比，其R 核／R 原的数量级应为： A ．105 B.103 C.10-3 D.10-5 3．原子核可近似看成一个球形，其半径R 可用下述公式来描述： A.R ＝r 0A 1/3 B. R ＝r 0A 2/3 C. R ＝303 4r π D.R=334A π 4．试估计核密度是多少g/cm 3？ A.10； B.1012 C.1014 D.1017 5．核外电子的总角动量 6=J P ,原子核的总角动量 12=I P ,则原子的总角动量() 1+=F F P F ,其中F 为原子的总角动量量子数,其取值为 A.4,3,2,1; B.3,2,1; C.2,1,0,-1,-2; D.5,4,3,2,1 6．已知钠原子核23Na 基态的核自旋为I=3/2,因此钠原子基态32S 1/2能级的超精细结构为 A.2个; B.4个; C.3个; D.5个 7．若某原子其电子轨道量子数L=2,自旋量子数S=0,核自旋量子数I=3/2,则该原子总角动量量子数为 A.7/2,5/2,3/2,1/2； B. 7/2,5/2,3/2,3/2,1/2; C. 7/2,5/2,3/2,3/2,3/2,1/2； D.条件不足,得不出结果. 8．若电子总角动量量子数J=1/2,原子核自旋角动量量子数I=3/2, 则原子总角动量量子数F 的取值个数为 A.4个; B.3个; C.1个; D.2个 9．氘核每个核子的平均结合能为1.11MeV ,氦核每个核子的平均结合能为7.07 MeV .有两个氘核结合成一个氦核时 A.放出能量23.84 MeV; B.吸收能量23.84 MeV; C.放出能量26.06 MeV; D.吸收能量5.96 MeV , 10．由A 个核子组成的原子核的结合能为2mc E ?=?,其中m ?指 A. Z 个质子和A-Z 个中子的静止质量之差； B. A 个核子的运动质量和核运动质量之差; C. A 个核子的运动质量和核静止质量之差； D. A 个核子的静止质量和核静止质量之差 11．原子核平均结合能以中等核最大, 其值大约为 ； ；； 12．氘核每个核子的平均结合能为1.09MeV ,氦核每个核子的平均结合能为7.06 MeV .有两个氘核结合成一个氦核时,其能量的变化为 MeV ,氦核比氘核稳定; B. - 23.88 MeV , 氦核比氘核稳定; C. 23.88 MeV ，氦核没有氘核稳定； D. - 23.88 MeV , 氦核没有氘核稳定. 13．原子核的平均结合能随A 的变化呈现出下列规律 A. 中等核最大,一般在7.5~8.0 MeV ; B. 随A 的增加逐渐增加,最大值约为8.5 MeV ; C. 中等核最大，一般在8.5-8.7 MeV ； D. 以中等核最大，轻核次之，重核最小. 14．已知中子和氢原子的质量分别为1.008665u 和1.007825u,则12C 的结合能为 A. 17.6 MeV ； B. 8.5 MeV ； C. 200 MeV ； D. 92 MeV .
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
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
原子核高角动量激发* 许甫荣 （北京大学物理学院重离子物理教育部重点实验室北京 100871） （中国科学院兰州重离子加速器国家实验室原子核理论中心兰州 730000） （中国科学院理论物理研究所北京 100080） 我们用推转壳模型计算研究了原子核的高速转动运动及其结构特性。讨论了A~50区核的转动特性；A~80区（N≈Z）核的形状共存问题；A~110区丰中子核的扁椭球形变的稳定性。基于壳模型理论，我们用限制组态绝热堵塞方法计算讨论了A~130, 180和超重核区的高角动量同核异能态，系统预言了高角动量多准粒子态的存在，并指出这些核态可以有较长的寿命，这对于不稳定核的研究是很有帮助的。计算解释了不少典型的实验观测，一些理论预言已经被最近的实验证实。 摘要 关键词推转壳模型，高角动量，同核异能态，原子核形状，多准粒子激发 1引言 到目前为止，了解原子核结构性质的最有效的实验方法是测量激发原子核的电磁跃迁。而高速转动原子核的电磁退激跃迁更是提供了大量详细的核结构知识。由于GAMMASPHERE和EUROBALL 的建成，原子核的实验高自旋研究得到了空前的发展，发现了一些新集体转动现象，如超形变转动带[1]。最近，实验在高自旋新运动模式方面又有新的发现，如手征带[2, 3]，磁转动[4, 5]，摇摆转动带[6]。这些为原子核结构研究提供了直接的实验信息，同时也为目前的理论模型提出了挑战和机遇。集体转动带的旋称劈裂和旋称反转现象[7－12]反映了原子核的精细内部结构和核子相互作用。目前用于研究原子核集体转动运动的微观理论模型主要有推转壳模型、投影壳模型、粒子转子模型、相互作用玻色子模型[13,14]。这些模型在不同程度上都能有效地描写核的集体转动运动。 随着放射性核束物理的发展，人们的眼光越来越多地转向远离β稳定线核（又称奇特核）的γ谱学研究。目前人们对奇特核的结构性质了解得还很不够，而这些核对于天体物理的研究又是至关重要的[15]。尽管实验技术上的困难，最近的实验还是成功地观测到质子滴线核140Dy的集体转动带和isomeric 态[16,17]，为这个滴线核的形状特性提供了直接的实验证据。原子核形状是一个基本物理量，更高阶形变已经有很好的物理依据，如八极形变[18,19]，三轴超形变[20]，四面体形变[21]。形状共存为人们揭示了核形状的多面性，同一个核可以同时有不同的形状，如实验观测到缺中子核186Pb有球形、扁椭、长椭形状共存态[22]，在A≈80区Z≈N核普遍存在扁椭、长椭形状共存态[23]。在超重核区理论也发现有形状共存态存在[24, 25]。这些共存态的能量相差一般不大，使得实验可以同时观测到这些态。 在高角动量激发态中，非集体激发的准粒子拆对激发态是又一类重要的核态，通常称为角动量同核异能态（K isomer）或多准粒子高K态（K是角动量在对称轴上的投影）。如果组成高K态的高J z轨道非常靠近核费米面，这样的高K态可以是yrast态， ———————————————— *国家自然科学基金项目（10175002, 10475002），教育部博士点基金（20030001088），国家重大基础研究发展计划（973）G2000077400资助。
(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
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。
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.doczj.com/doc/5717161715.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.doczj.com/doc/5717161715.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
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。