涡旋光束旁瓣抑制的研究进展

涡旋光束是一种具有螺旋型波前和光学轨道角动量的特殊光场,这种特性使其在光学微操纵、光学成像以及自由空间光通信等领域中具有广阔的应用前景.本文以螺旋相位板所产生的涡旋光束为基础,简要介绍了涡旋光束光强分布的特点,总结分析了目前几种涡旋光束旁瓣抑制方法的原理与特点,并就国内外的研究现状和应用前景进行了总结与展望.     

利用螺旋相位板获取涡旋光束的传播分析

为研究涡旋光束在空间中的传播特性,首先从理论上对利用螺旋相位板获取涡旋光束的基本原理进行了推导,并得出影响涡旋光束光斑半径尺寸的详细因素。然后基于设计好的螺旋相位板模型,对具有不同拓扑荷数涡旋光束的传播过程进行了细致的模拟分析和实验验证。结果表明,光斑半径会随着光束传输距离的增加而逐渐变大,并且随着拓扑荷数的增大光斑展宽程度也会相应明显。最后验证了基于螺旋相位板叠加获取新型拓扑荷数涡旋光束的实验方法。该结论为激光应用中实现不同性质微粒的微控制提供了具体的指导。     

涡旋光束和光学涡旋的研究

近年来,涡旋光束由于在囚禁和操控原子及其他微粒中的应用而引起了不少关注和研究.涡旋光束在光束的传播方向上有一个位相项e(ilθ),而且它拥有一个光束轨道角动量,如何从一个高斯基模变换到涡旋光束,已经提出了许多方法,比如在腔内放螺旋位相片直接产生,用计算机得到的位相片产生,用柱面镜或楔形镜产生光学涡旋.此外,在光纤中涡旋也能产生,比如可以使用光子晶体光纤作为一个非线性的两维光子晶体来产生光涡旋孤子.而在螺旋光纤中,纯的光学涡旋或者光学涡旋和TE及TM模式一起以高阶模形式出现,纯的模式在螺旋光纤传导中,会加上一个和内禀角动量以及螺旋立体角成比例的拓扑位相,而且HE和EH模式的工和y分量的分布模式在传输时也有旋转.1997年,E Abramochkin用一个图像旋转腔来产生一个涡旋激光束,在钝角三角形腔中用一个Dove棱镜来旋转光束,随着不同的棱镜旋转角度,可以得到不同的螺旋类型的激光光束.2003,Arlee V Smith在一个图像旋转腔的纳秒级光学参量振荡器里获得了涡旋光束,它的种子光和腔轴失调,在腔中形成了4个有着固定位相差的稳定模式,从而输出耦合成为一个涡旋光束.文中介绍用一种失调的多模光纤来做一个旋转腔,而把高斯基模光转换为一个涡旋光束的方法.在实验中,光源采用He-Ne的基模高斯光束,当激光束倾斜入射在光纤耦合器时,出射光场的模式会随输入位置和输入角而改变,在实验中用的是多模光纤,分别得到了顺时针和逆时针的涡旋光束, '还的到了环状空心光束.用光强分布仪记录了光束的分布,得到了不同尺寸光纤纤芯的光强分布图;测量了光束转换耦合效率,结果是涡旋光束的耦合输出效率达到了80%以上;空心光束的耦合输出效率达到了50%以上.另外,对于失调耦合器下多模光纤产生光学涡旋的理论分析和研究也将进一步研究.由于这种方法产生的光束稳定性很好,不仅可以产生实验所需要的光束,还可以把这种光束传输到所需要的地方,因此,应用前景很广,如操控原子、微粒和细胞等,也是一种特殊的光镊.     

高阶衍射级光束的轨道角动量北大核心CSCD

为研究高阶衍射级光束的轨道角动量,基于计算全息法在空间光调制器的傅里叶平面产生了不同衍射级的完美涡旋光束,并利用球面波干涉法对其拓扑荷值进行了测量。理论和实验结果表明不同衍射级p上的整数阶和分数阶完美涡旋光束的拓扑荷值l都满足l=mp的关系,其中m是相位掩模板的拓扑荷值。并进一步对不同衍射级的光学涡旋阵列进行了实验研究,结果表明光学涡旋阵列中光学涡旋的拓扑荷值满足l=p的关系,高阶衍射级上的衍射光束比+1级衍射光束具有更大的轨道角动量。该研究为光学涡旋及光学涡旋阵列进一步的研究及应用提供了理论和实验参考。     

拉盖尔-高斯涡旋光束传播中的相位变化分析

为了研究拉盖尔-高斯涡旋光束在传播过程中的相位特性,采用螺旋相位板法获取涡旋光束,从菲涅耳衍射积分出发,对光束在传输过程中的相位变化以及整数阶与分数阶涡旋光束相位奇点的稳定性进行了理论推导和数值模拟。当光束传输一段距离后,光场在观察平面上的等相位线由发散的射线变成了花瓣状的弧线。结果表明,拓扑荷为整数阶的涡旋光束在传输过程中,相位奇点具有稳定性,而分数阶光束的相位奇点不再保持稳定性,其观察平面的光强分布不对称,且涡旋光束中心为暗核的特点消失。该结论对光学微操纵和光信息编码技术的实现具有理论指导意义。     

大气中的光学涡旋及其传播

光学涡旋在大气中的产生和发展是光波大气传输中的新现象,对光电工程应用具有潜在的重要影响和应用前景,从光场的相位奇性出发,讨论了光学涡旋的起源、形态,介绍了利用数值模拟方法获得的几种光学涡旋及其组合在均匀介质和非均匀湍流介质中的传播特征.讨论了湍流大气中光学涡旋的产生和发展以及光学涡旋拓扑荷的传递问题.分析了光学涡旋对激光大气传输相位校正的影响.指出了利用光学涡旋传播动力学特征的几种可能的应用工作.     

利用超表面的涡旋光束产生进展（特邀）

涡旋光束因为携带轨道角动量,在光通信、粒子操纵及量子信息等领域都具有重要的应用前景。目前有很多方法可用于产生涡旋光束,如利用螺旋相位板、模式转换、空间光调制器等。然而,传统的方法需要搭建体积相对较大的光学系统,限制了其在集成光学等领域中的应用。不同于传统方法中通过传输效应来获得相位变化,超表面可以通过纳米结构使入射光产生相位突变,在纳米尺度上独立控制动态或几何相位以产生涡旋。超表面具有强大光控制能力的同时,还具有体积小、易于集成等特点,因此成为了产生涡旋光的理想方法。文中在介绍产生涡旋光束基本原理的基础上,回顾了近年来利用超表面产生涡旋光束的研究进展。首先介绍了利用动力学相位、Pancharatnam-Berry (P-B)相位以及混合相位产生光学涡旋的方法。随后,对利用全息与编码超表面产生涡旋及通过多路复用产生多个涡旋等不同方法进行了综述。最后,对基于超表面产生涡旋的一些亟待解决的问题和应用前景作了简单总结与讨论。     

加载光学涡旋的多光束圆形Airy光束的产生与传输

通过对具有加载光学涡旋的圆形Airy光束传输性质的研究,理论分析了笛卡尔坐标系下,利用分区域法加载光学涡旋的多光束圆形Airy光束的产生,并通过傅里叶变换与角谱传输定理,理论模拟了该光束的传输特性,讨论了加载不同拓扑荷数光学涡旋对光束传输特性的影响。结果表明:拓扑荷数的大小对聚焦位置影响不大,但随着拓扑荷数的增加,焦平面上光束中心处的空心尺寸变大,并且光束的突然自聚焦强度降低。由于该研究具有同时产生并在多光束上加载不同拓扑荷数光学涡旋的优点,在光操控多微粒领域及激光治疗等领域具有潜在的应用价值。     

采用深度学习校正畸变涡旋光束的方法综述(特邀)

涡旋光束是一种携带轨道角动量的新型结构光场,在超大容量光通信、遥感探测等领域有着广阔的应用前景。涡旋光束在大气等非均匀介质中传输时会产生波前畸变,使得其携带的轨道角动量发生改变,对实际应用产生不利影响,因此需要引入自适应光学波前校正技术对其进行畸变校正。综述了近年来国内外学者在涡旋光束自适应畸变校正方面的研究进展,首先简要介绍了当前较为成熟的涡旋光束畸变校正技术,包括高斯光束探针与波前传感相结合、相位恢复算法与面阵探测技术相结合等技术方案;然后着重介绍了基于深度学习的新型涡旋光束畸变校正技术,包括泽尼克多项式系数反演、湍流相位屏反演等,同时讨论了将深度学习用于涡旋光束畸变校正的优势及局限性;最后展望了涡旋光束自适应畸变校正技术的发展趋势。     

艾里涡旋及其衍生光场

艾里光束作为一种具有自加速特性的无衍射光束,在光镊、光学成丝、成像、表面等离子激发等众多领域都具有应用潜力。而在艾里光束基础上引入涡旋项可以丰富光场特性,同时利用艾里光束特性与涡旋相位特性为光场分布调谐提供了更大的灵活性,也引入了更多的动力学演化特性。以直角坐标和极坐标系下艾里光束的特性与应用为切入口,系统介绍了各类艾里涡旋的参数调谐与演化特性,包括直角坐标和极坐标系下单个艾里涡旋在各个情况下的演化特性、产生方式与应用,以及直角坐标和极坐标系下的艾里涡旋叠加光束的奇特性质等,为系统了解艾里涡旋参数及动力学特性提供参考,进而为产生具有更加丰富性质的光场打下基础,对扩大艾里涡旋的实际应用领域具有指导意义。     

高阶相干涡旋和光涡旋的动态演化和传输轨迹

基于广义惠更斯-菲涅耳原理,以拉盖尔-高斯(LG,Laguerre-Gaussian)光束为例,详细研究了高阶相干涡 旋、高阶光涡旋在自由空间、大气湍流中的动态演化和传输轨迹。研究表明,拓扑荷为+m 的高阶相干涡旋在自由空 间和大气湍流传输中均演化为m个拓扑荷为+1的相干涡旋;高阶光涡旋在自由 空间传输中不分裂,且随传输距离的 增加高阶光涡旋的位置不发生变化;拓扑荷为+m的高阶光涡旋在大气湍流传输中演化为m 个拓扑荷为+1的光涡旋; 光场的部分相干性和大气湍流的扰动都会诱导高阶相干涡旋发生分裂。所得结论,在光涡旋 通信系统有潜在应用价值。     

基于涡旋光与球面波干涉的微位移测量研究

基于涡旋光与球面波的干涉原理,提出一种物体微位移的光学测量方法。改进马赫泽德干涉光路,其中一束光照射至空间光调制器产生涡旋光束作为参考光,另一束光经透镜变为球面波后照射至物体上,两束光干涉后干涉条纹呈螺旋状分布。当物体发生微小位移时两束光的光程差改变,螺旋干涉条纹发生旋转,通过干涉条纹的旋转角度可以确定物体的微位移量。经理论分析、仿真和实验证明:基于涡旋光与球面波干涉螺旋条纹旋转角度的变化能够实时监测物体位移量的变化,同时可以有效计算物体的微位移。实验中,测量物体的产生位移量为27 nm,通过涡旋光与球面波干涉螺旋条纹旋转角度的变化实际测得物体的位移为25.75 nm,误差为1.25 nm。     

涡旋光场的吸收调制效应及其在超分辨技术中的应用

为开展基于涡旋光场的吸收调制效应超分辨技术 研究,对光场吸收调制效应的标量和矢量两种模型进行了计算分析和比较。选取矢量模型研 究不同拓扑荷、不同线偏振方向 涡旋光束紧聚焦情况下的吸收调制效应,计算经吸收调制后的透射光斑尺寸。结果表明, 涡旋光束的拓 扑荷和偏振方向对吸收调制效应有较大的影响。在文中计算条件下,将拓扑荷为0的x线偏振涡旋光束应 用于吸收调制单点超分辨技术中时,能获得约205nm的理论分辨率。 本文的研究结果,对于吸收调制单 点超分辨技术的研究,特别是通过优化光场分布提高分辨率的研究具有指导意义。     

大气湍流中贝塞尔-高斯涡旋光束传播性能分析

为了研究涡旋光束在湍流大气中的传输特性,根据广义的惠更斯-菲涅耳原理,采用基于快速傅里叶变换的功率谱反演法,对贝塞尔-高斯光束在大气湍流中的传输过程进行了理论分析和数值仿真; 采用次谐波补偿法产生随机相位屏来模拟大气湍流,解决了大气湍流模拟时存在低频成分不足的问题。结果表明,除了湍流强度外,传输距离、拓扑荷数、激光波长等也成为影响贝塞尔-高斯涡旋光束质量的主要因素; 湍流越强,光束的环形光强越弱,相位畸变越严重,光强起伏越明显,且逐渐退化为普通高斯光束; 随着传输距离的增加,涡旋光束扩散现象明显,最终退化为普通高斯光束; 波长越长,则涡旋光束抑制湍流能力越强,环形光强越强,相位畸变程度会得到逐步改善; 拓扑荷数越小,涡旋光束会最先退化为普通高斯光束,相位畸变程度越弱。该结果对于研究涡旋光束在自由空间光通信中的传输是有帮助的。     

聚焦部分相干平顶涡旋光束对瑞利粒子的捕获

基于广义惠更斯-菲涅尔原理和瑞利散射理论,推导了聚焦部分相干平顶涡旋(partially coherent flat-topped vortex, PCFTV)光束作用在瑞利微粒上辐射力的表达式,主要研究聚焦PCFTV光束对不同折射率的两种粒子的捕获情况。研究结果表明,聚焦PCFTV光束可以在焦点处捕获高折射率和低折射率的粒子。随着光束阶数的增大以及相关长度的减小,光束对微粒的捕获能力增强。所得结果对PCFTV光束应用于光学操控具有一定的意义。     

涡旋光束经过散射介质产生散斑的理论和实验研究

研究了涡旋光束经过散射介质后形成的散斑特性 ．运用概率统计理论和光束传输理论,模 拟了不同拓扑电荷数的涡旋光束经过散射介质后形成的散斑,以及散射介质颗粒尺度对散斑 特性的影响。模拟结 果表明,随着涡旋光束拓扑电荷数的增大和散射介质颗粒尺度减小,形成 的散斑颗粒尺寸逐渐减小。实验上,利用螺旋相位板(SPP)产生涡旋光束,使其透过散射介 质后形成散斑。实验结果 表明,涡旋光束经过散射介质后,随着散射介质颗粒尺度减小,形成的散斑对比度逐渐增大 ;随着涡旋光束拓 扑电荷数的增大或散射介质颗粒的减小,所形成散斑的尺寸减小。实验结果与模拟结果 相吻合。     

基于小波分解和信息熵的涡结构识别方法

利用涡结构对光波通过高速流场的光学传输特性进行建模，就必须进行涡结构的识别。文中提出一种涡结构识别方法，首先把密度场转换的折射率场等效为具有丰富纹理信息的灰度图像，进而对其进行多小波分解，计算每次分解的小波基系数的熵值，利用阈值判定低熵的为大涡的小波基系数，高熵的为小涡的小波基系数。计算机仿真结果表明，该方法能有效地进行涡结构识别，为基于涡结构的光学传输精确建模奠定了基础。