基于马赫-曾德尔干涉仪生成矢量涡旋光束

提出了一种基于马赫-曾德尔干涉仪(MZI)产生高阶庞加莱球上任意矢量涡旋光束的方法。利用半波片和偏振分光棱镜组合调节支路光束振幅,搭配常用的两个半波片组调节合成光束的相位,进而生成并变换矢量涡旋光束,优化了传统的实验光路,降低了光束能量损耗,利用1/4波片实现不同高阶庞加莱球上矢量涡旋光束的变换。与现有的基于马赫-曾德尔干涉仪矢量光束生成方法比较,该光路结构简单,光束转换效率提高。在理论上,通过琼斯矩阵计算,在拓扑荷数为m=±1高阶庞加莱球上得到了各矢量涡旋光束的偏振态。根据该方法搭建了一套矢量涡旋光束产生的实验光路,实验结果与理论分析一致,证明了这种方法的实用性。     

电控矢量涡旋光的偏振测试研究

为了研究电控相位延迟对矢量涡旋光偏振态的影响规律, 采用半波液晶可变延迟器和液晶q波片搭建了电控矢量涡旋光的全斯托克斯偏振测试实验装置, 进行了电控矢量涡旋光的斯托克斯参量传输特性的Muller矩阵分析和实验验证。通过对输入偏振光进行连续相位调控, 获得了其通过调谐q波片后的输出光束偏振态演变规律。结果表明, 电控相位延迟会改变角向和径向偏振光的局域偏振椭偏度, 且随电压变化呈线性关系, 同时偏振态演变会影响矢量涡旋光的输出光强。此研究对于探索电控矢量涡旋光的偏振转换有着重要的意义。     

湍流大气中高稳定性全庞加莱球光束模式选择（特邀）

作为新型结构光束的一类,全庞加莱球光束因其横截面上自旋角动量和轨道角动量发生耦合,近年来在自由空间光通信领域内受到广泛关注。然而,传输信道中的大气湍流将产生诸如光束扩展、漂移、光强闪烁等严重影响,进而限制光通信系统性能。结合随机相位屏,对具有“C”型偏振奇点的全庞加莱球光束、“V”型偏振奇点的柱矢量光束和均匀偏振的标量涡旋光束在湍流大气中的传播进行大量的数值模拟。归一化光强相关系数和模式纯度被用于研究杂合庞加莱球表面不同位置处表征的全庞加莱球的稳定性。结果表明,相较于具有相似偏振拓扑荷和光强分布的柱矢量光束以及标量涡旋光束而言,坐标位于南半球的全庞加莱球光束在弱湍流和中湍流(r₀=0.5 m, 0.125 m)下具有较高稳定性。而在强湍流下(r₀=0.056 m),优势区域缩小至2σ∈[?5π/32, 0](纬度坐标)。上述结果将为自由空间远距离通信中传输介质的选取提供重要依据并进一步促进通信质量的提升。     

斜程湍流大气中矢量涡旋光束的OAM特性研究

基于螺旋谱理论推导出矢量涡旋光束在斜程大气湍流传输中的轨道角动量(orbital angularmomentum,OAM)谱,讨论了修正Kolmogorov大气湍流对不同阶矢量涡旋光束光场分布及光束OAM谱的影响。利用旋转毛玻璃作为随机相位屏,实验采集了矢量涡旋光束通过旋转毛玻璃后的光强图像与归一化强度。结果表明:经大气湍流斜程传输后,矢量涡旋光束的光强分布产生畸变且OAM谱发生弥散,OAM谱弥散程度随传输距离的增大而增大。传输距离不变时,天顶角越大,主OAM模相对功率越小,湍流内尺度减小与折射率结构常数增大均会导致主OAM模相对功率减小。同一传输路径下,随着湍流强度的增大,矢量涡旋光束中心相位奇点的强度逐渐增大,并且拓扑荷不变时,偏振阶数高的矢量涡旋光束受到的湍流影响较小。     

矢量涡旋光束经光阑-透镜系统的OAM与偏振特性

与标量涡旋光束不同,矢量涡旋光束同时具有各项异性的空间偏振分布和螺旋相位分布,并携带与相位分布有关的轨道角动量(Orbital angular momentum,OAM)。根据柯林斯衍射积分理论,得到了傍轴近似条件下矢量涡旋光束的OAM密度,实验采集了矢量涡旋光束通过光阑-透镜系统后的光场,详细讨论了光阑截断参数以及光阑-透镜间距等参数对矢量涡旋光场及其OAM密度的影响。结果表明:相比标量涡旋光束,矢量涡旋光束OAM通过光阑系统后随传输距离的衰减更慢,受光阑截断参数影响更小。矢量涡旋光束偏振态不受光阑-透镜系统影响,截断参数大于4.2时,轨道角动量密度和光强不受截断参数影响。在透镜焦点位置处,OAM密度达到最大值。研究结果为矢量涡旋光束OAM特性的应用提供理论依据。     

利用超表面天线阵列产生太赫兹涡旋光束

为了研究1阶和2阶模式下的非连续性相位L型天线的超表面阵列特性,采用异常透射的散射场理论,设计了一种L型天线结构,控制天线的几何参量,选取阵列单元组,使得其覆盖相位超过2π。并根据不同的拓扑荷,设计1阶和2阶涡旋相位板,产生不同阶数涡旋光束。结果表明,用太赫兹线偏光垂直入射时,天线单元垂直偏振透射方向的模拟仿真效率达到55%左右;相位覆盖0~2π和0~4π时,其线性阵列的异常透射角不同,分别为-14.7°和-30°,其结果与广义斯涅耳定理一致。此研究对太赫兹涡旋光束的器件研究有重要的应用价值。     

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。     

离轴涡旋光束诱导空气等离子体产生太赫兹波

使用涡旋光束代替高斯光束作为产生光源,研究了涡旋光束产生太赫兹波的过程。探究了具有不同拓扑荷数的涡旋光束在产生太赫兹波时的差异,相位奇点的位置对产生太赫兹波的影响,不同脉冲强度和激光波长下涡旋光束产生的太赫兹波能量、频谱和偏振的变化。结果表明,产生的太赫兹波强度会随涡旋光束拓扑荷数的变化而变化,并且与涡旋中心的位置密切相关。涡旋光束所产生的太赫兹波随脉冲强度和激光波长的变化趋势与高斯光束一致。高斯光束与涡旋光束产生的太赫兹波在频谱和偏振上的变化趋势一致。     

径向偏振高次方指数涡旋光束的紧聚焦特性

为了获得一些具有特殊光强分布的波长量级聚焦 光斑,理论研究了具有径 向偏振特性的高次方涡旋光束经过大数值孔径透镜的聚焦。基于矢量德拜理论,对 径向偏振高次方涡旋光束经过大数值孔径透镜聚焦的光强和相位进行了数值模拟 研究。关于聚焦平面光强分布的研究发现,聚焦光斑的光强与高次方涡旋光束的拓 扑荷数和幂次方数有关。拓扑荷数为1的一次方涡旋光束的聚焦光强呈现圆对称分 布,随着光束幂次方数的增加,演变为非圆对称分布。拓扑荷数为2的一次方涡旋 光束的聚焦光斑为中空的圆对称分布,随着光束幂次方数的增加,其暗核形状会变 化并最终消失。紧聚焦的径向偏振光会产生较强的纵向分量,因此本文还研究了光 束的纵向相位分布,研究发现纵向相位奇点的数目与涡旋光束的拓扑荷数相同。获 得了不同光强分布的尺寸为波长量级的聚焦光斑,这些研究结果有望在基于激光的 光学操控中得到应用。     

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。     

基于双环混合偏振矢量光束实现光学囚笼实时操纵的理论研究

理论上提出了一种通过调节双环混合偏振矢量光束的偏振态来实现光学囚笼实时操纵的新方法。双环混合偏振矢量光束是由双环径向光束通过一个波片后形成的,光束偏振将变为包含线偏振、圆偏振和椭圆偏振的混合状态,且偏振态强烈依赖于空间位置和相位延迟角度。利用衍射积分公式数值模拟了双环混合偏振矢量光束经过强聚焦系统后在焦点附近的强度分布。数值结果显示当相位延迟角度为0时能形成光学囚笼,当相位延迟角度不为0时能控制光学囚笼打开的程度。将液晶可调相位延迟器(LCVR)作为可调波片,LCVR可以由外部电压实时控制使其相位延迟角度能在0～π之间连续取值,这样就可以通过调节LCVR的外接电压实现焦平面光学囚笼的实时开和关。     

矢量涡旋光束的表征及腔内生成技术北大核心CSCD

矢量涡旋光束是一种新型的结构光场,具有螺旋相位和横截面各向异性偏振分布,在光镊、旋转体探测、光通信、高分辨率成像、量子信息等领域展现出广泛的应用前景。随着研究的不断深入,对矢量涡旋光束的复杂光场模式分布要求越来越高,给矢量涡旋光束的生成技术带来了巨大的挑战。此外,如何更加实用且有效地完备表征矢量涡旋光束的模场分布、模式特性亦是其应用的重要基础。本研究团队长期从事包括矢量涡旋光束在内的结构光场调控及应用技术研究,提出了多种输出模式连续可调的矢量涡旋光束腔外、腔内生成技术。介绍了近年来本课题组在矢量涡旋光束的表征和腔内生成方面的主要工作,包括矢量涡旋光束总角动量态的四参量表征法、激光谐振腔内横纵模调控技术等,并在此基础上报道了人眼安全波段全固态矢量涡旋光束激光器。     

离心高斯涡旋光束在传输中暗核和质心的运动(英文)

使用螺旋相位板产生高斯涡旋光束时,要求光束中心与螺旋相位板中心对准重合。然而实际上光束中心总会在一定程度上偏离螺旋相位板中心,此时从相位板输出的光束即为离心高斯涡旋光束。对于传统的涡旋光束而言,暗核和质心为同一点,在传输中一直位于光束的中心位置。离心高斯涡旋光束则不同于传统的涡旋光束,对其传输进行了研究。研究结果表明,离心高斯涡旋光束的暗核和质心的位置分离,在传输过程中会发生移动。移动方向由拓扑电荷的符号确定,暗核的移动距离与拓扑电荷的大小无关,质心的移动距离则与拓扑电荷的大小相关。     

利用少模光纤产生涡旋光的实验

利用光纤产生涡旋光对提高轨道角动量通信系统的性能、降低轨道角动量通信系统的成本等方面有重要的应用价值。少模光纤是一种只存在基模和低阶模式的光纤,结合光纤中的耦合模理论和涡旋光的产生原理,仿真分析了入射角度对少模光纤中一阶模式激发效率的影响,实验在少模光纤中产生了一阶模式TM01、TE01和HEeven21,并将一阶矢量光束HEeven21与HEodd21模式叠加产生涡旋光。偏振检测和三角形衍射实验表明,少模光纤产生的涡旋光是圆偏振光,拓扑荷数l=1。利用少模光纤可为实验中涡旋光的产生提供一种简单、低成本的方法。     

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。     

相全息图产生任意阶无衍射光束阵列的理论和实验

无衍射光束由于其中心光斑尺寸小、传播中无衍射等特性被广泛关注。提出了一种相位全息图产生任意阶次和位置的无衍射光束阵列的方法。设计具有相同特征值的相全息图阵列,即阵列中每幅相全息图在频谱面上产生相同半径的亮环,并把相全息图阵列写入空间光调制器,由于傅里叶变换平移不变性,相全息图阵列在频谱面上仍产生唯一能量集中的亮环,通过环形滤波器将其滤出,再次进行傅里叶变换,便得到无衍射光束阵列,并且每个无衍射光束的位置和阶次都可以任意设置。理论分析和实验均证明了该方法的可行性。     

通过优化损耗点镜产生高效率的涡旋光束

通过使用带有损耗点的腔镜,在Yb∶phosphate(Yb∶QX)振荡器里实现了一阶涡旋光束的输出。详细研究了涡旋光的光-光转换效率与损耗点直径和腔内激光模式直径及形状的关系。实验发现,在Z字型固体激光器中,当腔内激光模式直径为损耗点直径的4～6倍,激光模式在切线面和弧矢面的光斑直径比例(即椭圆率)约为80%,泵浦功率为1.59 W时,获得了光-光转换效率最高为7.7%的一阶涡旋光束。此研究可为利用损耗点在Z字型固体激光器中产生高转换效率的一阶涡旋光束提供理论实验依据。     

圆形螺旋相位板的平面波夫琅和费衍射特性

为了研究圆形螺旋相位板(SPP)对平面波的夫琅和 费衍射特性,基于标量衍射理论给出了圆形SPP对 有限孔径平面波进行夫琅和费衍射时所产生涡旋光束的光强表达式。理论模拟分析了圆 形SPP的拓 扑荷数n、半径R等参数对涡旋光束光强分布的影响,结果表明,当圆形SPP半 径R不变时,随着拓扑荷n的增大,涡旋光束半径逐渐增大,并且光强分布中旁 瓣的比重显著增强;当拓扑荷n不变时,圆形SPP的半径R增 大,产生的涡旋光束半径反而会变小,但涡旋光束的相对形状基本保持不变。基于纯相位空 间光调制器(SLM)实现了圆形SPP对有限孔径平面波的夫琅和费衍射, 并对理论结果进行了实验验证,实验结果与理论分析一致。     

复合涡旋光束的光强与相位特性

为了研究复合涡旋光束的光强与相位特性,利用不同拓扑荷数的2束零阶径向拉盖尔-高斯(LG)涡旋光束共轴叠加,产生一种新型的复合涡旋光束,从理论上研究了拓扑荷数对复合涡旋光束的光强与相位分布特性的影响,分析了拓扑荷数与中心暗斑直径以及内、外环分叉数的线性关系,并进行了数值仿真.仿真结果表明:不同拓扑荷数的2个零阶LG涡旋光...     

径向矢量光场在双延迟器作用下的偏振演化

延迟器作为改变光信号偏振态的一种重要光学器件,具有高偏振变换精度、低成本、算法简单等特点,利用一个1/4波片和一个1/2波片组合可实现对径向矢量光场偏振调制的新方法,采用Jones矩阵算法分析了双波片的调制机理,将光场的偏振演化规律在庞加莱球上表示,并通过实验验证理论分析的正确性,研究结果表明:双延迟器结构可实现对径向矢量光场的复杂偏振调控,并获得光强均匀分布、偏振态有规律分布的矢量光束。