高斯涡旋光束通过像散透镜后的相位奇异特性

光场相位奇异特性研究在奇点光学研究领域中具有非常重要的意义。本文运用广义惠更斯-菲涅尔衍射积分公式推导出高斯涡旋光束通过像散透镜后的光场分布表达式,并研究了它在几何焦平面上的相位奇异特性。结果表明,高斯涡旋光束通过像散透镜后在几何焦平面上存在相位奇点,相位奇点受到透镜的像散系数、光束束腰宽度和涡旋离轴量等参数的影响。在一定条件下,几何焦平面上出现直刃型位错线或光涡旋。当像散系数为0时,光涡旋出现在y轴上。当像散系数不为0,而涡旋离轴量为0时,会出现直刃型位错线或光涡旋,且各自的位置都非常稳定。当像散系数、涡旋离轴量或束腰宽度改变时,光涡旋会发生移动。这对光学元器件的设计和涡旋光束相位奇点的控制有一定的参考价值。     

空间光调制器模拟光栅产生高阶和分数阶涡旋光束

用空间光调制器模拟叉形光栅的方式产生高阶和分数阶涡旋光束,分离各阶涡旋光束并探究单级特性,探测其拓扑荷数以验证实验方法的正确性。设计了涡旋光束生成光路,编写了产生叉形光栅全息图的计算机程序,利用透射式空间光调制器模拟叉形光栅,以全息图的方式加载到空间光调制器上。调节参数改变全息光栅图样,得到拓扑荷数从1.0到100.0的整数阶与间隔为0.1的分数阶涡旋光束。利用孔径光阑分离出一级衍射,分析其特性并利用干涉法测量其拓扑荷数。实验发现,整数与分数阶光场分布与拓扑荷数为单调关系,拓扑荷数接近100时光束质量显著下降的特性,利用干涉法测得的拓扑荷数与计算全息图设置的参数完全相同。干涉测量结果验证了计算全息方法的正确性。该方法装置简易、参数可调,可为高阶和分数阶涡旋光的产生和应用提供一定的参考。     

基于光学衍射神经网络的拉盖尔–高斯光束识别

拉盖尔–高斯（Laguerre-Gaussian,LG）光束除了轨道角动量（orbital angular momentum,OAM）维度外,还拥有径向量子数$ p $,因此LG光束可以为光通信和光计算等应用提供更多的物理自由度。但目前常见的干涉、衍射机制的LG光束模式探测方法在受到大气湍流的干扰时,识别准确率会明显下降,从而限制了其实际应用。提出了一种基于衍射神经网络（diffractive neural network,DNN）的LG光束识别方式,实现了$ p $在$ 1～3 $范围内的识别。即使在强湍流强度,衍射距离为5 m的情况下,该识别方式的识别准确率依然能达到95%以上。该DNN方法能够为准确识别LG光束模式提供有效途径,在大容量OAM通信、高维量子信息处理等方面均具有潜在应用价值。     

《波动光学》课程中光束涡旋相位的实验演示与研究

相位是光的重要特性之一,涡旋光束具有螺旋形波前结构、光强呈环形分布、确定的轨道角动量、存在着相位奇点等,其在光学信息传输、光学微操纵、显微成像、激光微加工等领域中得到广泛的应用。因此,关于涡旋光束的研究成为了现代光学中的一个重要研究领域。涡旋光束的拓扑荷数是涡旋光束的一个重要的属性,拓扑荷数是区分不同涡旋光束的一个重要特征。本文的重点就是应用Sagnac偏振干涉仪对涡旋的光束的拓扑荷数测量方法进行研究。     

实验产生超分辨光学聚焦暗斑

用二元相位器件调制角向偏振激光光束,然后用高数值孔径物镜聚焦,在实验上产生了一个超分辨光学聚焦暗斑。二元相位器件的调制作用是通过让角向偏振光束经一块刻有多环同心环状凹槽的玻璃基板实现的。用刀口法检测了焦点附近的3D光束分布特性,得到了尺寸是0.32λ且在4λ左右的长度内保持不变的超分辨暗斑。这样的光学聚焦暗斑可能会应用于超分辨显微技术和光学捕获。     

非线性测量仪

利用感应非线性测量仪（ＢＲＩＥＦＩＮＧ）技术进行电磁场的光束再现和插入是为完整地测量激光束焦点区的绝对强度分布和相位分布而设计的。ＢＲＩＥＦＩＮＧ实质上是整个三维复合场剖面的测量，而不作焦点光腰中光束结构的任何假定。该方法使用焦点后远场区内记录的两种强度图，带非线性和不带非线性层。ＢＲＩＥＦＩＮＧ技术的基础是广义化用于设计相位板的道光学问题，这种相位板将给定分布的激光束转换成所需要的远场图形。在ＢＲＩＥＦＩＮＧ的情况下，由于液晶折射率的非线性光学调制，通过激光束本身产生相位板，利用非线性相移与光…     

三次相位调制参数对艾里光束的影响

从理论角度与实验角度研究了三次相位调制参数对艾里光束的影响。理论上分析说明三次相位对应的频谱为艾里光束,并引入三次相位调制参数a3以表征相位变化速率。实验上通过设定不同的三次相位调制参数,观察其对艾里光束的影响。结果表明,三次相位调制参数可以影响艾里光束的光瓣尺寸、光瓣间距以及能量分布等,并确定a3最佳值在2~4之间。     

气体激光器自激励产生各高阶厄米-高斯光束

为进一步研究涡旋光,推动涡旋光在通信和医学等方面的应用,需要产生稳定的各阶厄米一高斯（HG）光束.现通过对大数值孔径外腔式He-Ne激光器进行结构微调,并采取自激励的方法直接产生各种高阶HG光束.此方法操作简单,激光模式稳定,同时利用MATLAB计算出对应的高阶HG光束模式的横向光强分布.实验结果和理论计算结果基本一致,该研究为今后气体激光器的模式控制和分析奠定了一定的实验基础,得到的高阶HG光束可以用于稳定涡旋光的产生.     

单像素复振幅成像及实验分析

光场的光强信息和相位信息成像在医学、光学测量、三维成像等领域至关重要。设计了一种无需参考光束即可实现光场复振幅成像的单像素成像系统。该成像系统通过相位型光学掩模对光场信息进行调制,利用无分辨率的光电探测器探测调制后的光强信息,应用phaselift算法恢复光场的光强与相位信息。利用单像素成像系统对衍射光场及透明聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜物体进行了成像实验,从成像结果中可以清晰看到衍射环的光强信息与相位信息。实验中物体薄膜的相位差为0.053,刻线宽度为220 μm,实验得到图像相位差为0.046和刻线宽度为256 μm,与传统检测手段得到的图像信息非常接近。该系统的成像光路无需参考光束,系统简单便于集成,促进了便携式成像系统的发展,可应用于宽光谱成像,在光场复振幅成像方面具有较大发展潜力。     

基于相位计算全息的完美涡旋光产生和调控方法

空间光调制器模拟锥透镜法是目前最为广泛使用的产生完美涡旋光的方法,但是该方法无法调控光束环宽,为了解决这个问题,提出了使用傅里叶空间相位计算全息法产生、调控完美涡旋光。通过理论分析和实验测量证明,改变编码相位可以实时调控完美涡旋光的光环半径、环宽和拓扑荷数。该方法光路简单,产生的光束质量高,且光路只需进行一次调整,操作简便。另外,该方法还具有通用性强的优点,可用于产生各类变形完美涡旋光。实验产生了不同参数的椭圆形完美涡旋光,实验测量结果与理论结果吻合得很好。因此,傅里叶空间相位计算全息法是一种简便、通用、实用性更强的完美涡旋光产生、调控方法。     

基于叠加态涡旋光多普勒效应的物体速度探测

涡旋光携带轨道角动量,具有螺旋相位,其坡印廷矢量与光轴存在夹角。涡旋光坡印廷矢量的角向分量会引起旋转多普勒效应,可对旋转速度进行直接测量。利用涡旋光的线性多普勒效应与旋转多普勒效应可以对物体的线速度以及转动速进行探测,对物体的复合运动状态进行描述。在此基础上,利用叠加了不同轨道角动量模式的涡旋光对目标进行探测,不同的轨道角动量模式会造成不同的频移,结合线性多普勒效应造成的频移可以测量复合运动具体速度成分。由此提出了一种叠加态涡旋光对于复合运动的测量模型,并分析了不同运动状态对探测结果的影响。     

同轴双光束调制热透镜的理论研究

利用菲涅耳衍射理论提出了一种同轴双光束调制热透镜的理论模型,给出了探测面的热透镜信号表达式。计算了同轴双光束调制热透镜信号的横向分布,并分别讨论了激励光和探测光腰斑大小、样品位置和探测距离对信号的影响。     

基于光子晶体光纤的轨道角动量模式的产生

为了让光纤中产生轨道角动量(orbital angular momentum,OAM)模式更加集成化,提出了一种利用光子晶体光纤(photonic crystal fiber,PCF)产生轨道角动量模式的方法。通过设计特殊的PCF,使其本征模的奇偶模传输速度不同,在传输一段距离后形成π/2相位差,从而产生OAM模式。该PCF由中心空气孔、二氧化硅环形层和外包层构成,其中外包层由两层圆形空气孔组成,每层圆的数目为2n+2个,对应产生n阶OAM模式。采用有限元法对所设计光纤进行了三维数值仿真分析,成功产生了+2、+3、+4、+5阶OAM模式。该PCF产生OAM模式的方法,满足了未来光纤通信系统集成化、小型化的趋势,在全光纤模分复用系统中有着潜在的应用前景。     

低相噪大面积平衡光电探测器

为了实现对光泵原子磁力仪系统中发散的快速调制光信号的精密相位检测,解决现有平衡光电探测器存在的接光面积小、增益小、带宽小及相位性能不理想等问题,本文采用基于结点差分电流的平衡差分探测方法,分析了平衡探测器抑制系统共模噪声的机理,通过优化元件和提高带宽设计出具有低相位噪声且单管接光面尺寸达到10mm的大面积平衡光电探测器,并进一步利用双板隔离式的制作方法避免了热噪声干扰,实现了其低相位漂移的特性。实验结果表明,该探测器-3dB带宽达到1.1 MHz,信号跨阻增益达到0.91 MΩ,在175kHz调制光信号下的相位噪声峰峰值不超过0.002 3°,能够满足碱金属原子磁力仪系统光信号精密相位检测的要求。     

用介电质超表面产生准艾里光束

艾里光束通常是在液晶空间光调制器上加载立方相位后再作傅里叶变换产生,或者在材料表面设计微结构来激发表面等离激元产生。但是前者不利于系统的集成化和小型化,后者通常用于产生一维艾里光束。为了克服这些缺点,利用具有亚波长单元结构的介电质超表面产生艾里光束。将高斯分布的振幅信息和立方相位信息同时编码来对平面波进行调制,并对比了...     

用宽带超表面产生阵列贝塞尔光束

通过在空间光调制器（SLM）上加载相位图或通过光刻加工微型圆锥状结构可以产生贝塞尔光束阵列。然而,典型空间光调制器具有比波长大一个数量级的像素尺寸,这限制了相位梯度的可用范围,用光刻法加工的微型锥透镜的顶端不是标准的圆锥,这影响了贝塞尔光束的质量。为了克服这些缺点,将复杂的相位图加载到电介质超表面上,设计了一种可以产生阵列贝塞尔光束（在波长700 nm处,NA=0.3）的超表面器件。该器件可以宽波段工作,其单元结构在波长580~800 nm范围内的偏振转换效率均超过57%。利用时域有限差分算法（FDTD）对该器件（厚度为380 nm,直径仅为40 μm）进行了仿真,所产生的阵列光束都垂直于超表面器件。所提出的阵列贝塞尔光束发生器具有纳米级别的厚度和几十微米的直径,这对于未来的集成光学领域具有很大的应用前景。     

多波长激光扩束器的光学设计

在激光雷达以及光谱仪定标时常常需要较宽以及高准直性的激光光束。设计了一出射光束为16mm,扩束比为20倍的激光扩束器光学系统。通过移动激光扩束器的物镜与目镜间隔,可以实现光谱范围在543.5~850nm的激光扩束;比较了使用该激光扩束器发射的准直激光束与理想的单色平行光充满成像光谱仪的入瞳孔径后成像光谱仪传递函数的变化,说明该光学系统可行。     

螺旋相位调制双曲余弦高斯光束的梯度力研究

光梯度力在光镊技术中起着非常重要的作用。数值模拟了螺旋相位调制双曲余弦高斯光束在焦平面上光梯度力的变化。研究结果表明:双曲余弦高斯光束的偏心参数、螺旋相位的拓扑数可以显著地调节光梯度力分布,并且会出现一些新奇的光梯度力分布,如构成圆环形光陷阱、矩形光陷阱、阵列光陷阱等;另外,对于不同数值孔径、不同拓扑数,光梯度力随双曲余弦高斯光束的偏心参数的演化规律也显著不同。     

基于OAM光束的球形颗粒的手性信号增强机理

为了分析球形颗粒的手性信号增强机理，基于T矩阵法对手性球形颗粒的Mie散射特性进行了研究，分析了基于入射光束轨道角动量（OAM）的调控和颗粒特性参数调控的手性信号增强机理。对紧聚焦线偏振光的波前进行调控，通过调控光束携带OAM的符号实现OAM二色性的测量，并研究OAM阶数与手性信号强度之间的关系。当光束携带OAM的阶数与小球的尺寸相匹配时得到较圆偏振光散射圆二色性信号22.8倍的提升。同时分析了小球特性参数（颗粒尺寸、手性参数）对OAM二色性信号的影响。     

10kW连续输出半导体激光熔覆光源

针对于目前国内半导体激光加工熔覆光源主要依赖于国外进口的局面,研制了连续输出功率达10kW的半导体激光熔覆光源。利用ZEMAX光学设计软件模拟半导体激光光路,包括光束整形、准直及聚焦透镜的设计等。实验中采用2只波长为915nm和2只波长为976nm的半导体激光叠阵,通过偏振合束和波长合束技术实现它的合束。由自行设计的聚焦系统进行了聚焦实验,结果显示,当模块工作电流为122A时,光源最大输出功率为10 120 W,电-光转换效率为46%,在工作面的聚焦光斑为2.5mm×18mm,可满足工业中大面积高速激光熔覆和表面热处理的要求。