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...     

杨氏双缝干涉实验测量涡旋光束的轨道角动量

研究了平面波经过螺线型相位板后产生的涡旋光束,经双缝干涉后在干涉场中干涉条纹的分布情况。详细介绍了涡旋光束的拓扑荷数对干涉条纹分布的影响。发现同平面波的竖直干涉条纹相比较,涡旋光束的干涉条纹,从顶部向底部看去,沿着横向出现移动,并且移动的大小和方向与拓扑荷数的取值有关。通过观测干涉条纹,可以得到涡旋光束的拓扑荷数。涡旋光束由于携带轨道角动量可应用于新型的光信息编码与传输,研究结果可望在这种新型的光信息编码与传输中得到应用。     

离轴多涡旋-高斯光束在负折射率介质中的传输特性

不同涡旋个数和拓扑荷的多涡旋-高斯光束具有不同光强和相位分布。当涡旋个数增大时,涡旋奇点个数增加,统计束宽也增大。利用分步傅里叶法数值模拟了多涡旋-高斯光束在负折射率非局域介质中的传输,发现涡旋点关于原点不对称或各涡旋点的拓扑荷不相等都可以改变孤子的传输方向,因此通过改变涡旋点位置和拓扑荷数可以实现光束传输方向的控制。若涡旋点虚部的符号发生改变,孤子的旋转方向也发生改变。此外,孤子的临界功率和轨道角动量都会随着拓扑荷的增加而增大。因此,可以通过涡旋点位置﹑涡旋点个数和拓扑荷的方式对光束信息进行编码,使光束在介质中传输时携带更多容量的信息。     

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。     

涡旋光束经过环形孔径的衍射特性的研究

对涡旋光束经过环形孔径之后的衍射特性进行了研究。从理论和实验上研究了涡旋光束经过环形孔径的衍射情况,考虑了整数阶涡旋光束和分数阶涡旋光束的衍射光强图,并讨论了拓扑电荷数对衍射图样的影响。研究表明,拓扑电荷数与光强分布紧密相关,这一现象可以用于测定涡旋光束拓扑电荷数。     

异常涡旋光束的拓扑荷的测量

提出了一种测量异常涡旋光束的拓扑荷的方法。在接收孔径之前放置一个特殊样式的掩膜板,通过接收平面的光强图来分辨异常涡旋光束的拓扑荷值。首先采用理论推导的方法得出接收平面光强分布的解析式,然后通过数值仿真得出光强图。研究表明,接收平面上的强度分布图为多环结构,环数与异常涡旋光束的拓扑荷值有关,而与光束阶数无关。研究成果对于促进异常涡旋光束的应用具有重要意义。     

离轴涡旋光束干涉光场的理论研究

对普通拉盖尔-高斯涡旋光束和离轴拉盖尔-高 斯涡旋光束干涉光场进行了理论 模拟。对比分析表明,离轴涡旋干涉图样中光强分布不对称,拓扑荷取相同或者不同数值光 强 分布均向一个方向集中。拓扑荷取相同数值时,改变离轴参数d 使得干涉光强图样不对称现 象更加明显;拓扑荷取不同数值时,与普通涡旋光束干涉一样只影响光斑圆周展宽;且拓扑 荷 的正负决定光场集中分布的方向。当拓扑荷和离轴参数一定时,随着传输距离的增加观察面 上的光斑展宽也在相应增加。其结果将对长距离探测涡旋光束干涉的对准问题以及利用涡旋 光束捕获操纵微粒子起到指导性作用。     

高斯涡旋光束在增益和吸收介质中的传输特性

基于广义惠更斯-菲涅尔原理,推导出了高斯涡旋 光束在增益和吸收介质中场分布以及 光强的解析表达式,研究了高斯涡旋光束在增益和吸收介质传输中的光强分布、位相演化, 详细分析了波数实部kr、波数虚部ki和拓扑荷m对光束传输特性的影响。研究结果表明,波 数实部kr越大、拓扑荷m越大,高斯涡旋光束在传输过程中 光强衰减越慢,并且始终保持光 束空心分布的特性,具有很好地稳定性。波数虚部ki越大,光束在传输中表 现出的增益效应 越明显,波数虚部k_i越小,光束在传输中表现出的吸收效应 越明显。高斯涡旋光束的位相分 布受拓扑荷m影响明显,不同拓扑荷m的高斯涡旋光束在源处及传输过程中光 涡旋的数 目不同。本文的结论对于涡旋光束在材料领域的研究及其在实际中的应用具有重要意义。     

涡旋光束经双十字光阑的衍射特性研究

设计了一种新型的双十字狭缝光阑,对涡旋光束经过不同的双十字光阑后的衍射特性分别进行了理论模拟和实验分析。研究结果表明,涡旋光束经过双十字光阑后在远场的光强分布为矩形亮斑阵列,选择合适的双十字狭缝的宽、长及中心的位置,可以使图样中的亮斑更清晰;衍射图样的矩形亮斑阵列外围亮斑总个数除以2,即为人射涡旋光束的拓扑荷数的值。双...     

用于水下光通信高维调制与解调的轨道角动量叠加态

通过涡旋光束的轨道角动量的叠加态的识别研究，提出了一种在水下无线光通信中运用涡旋光束进行高维信息调制与解调的方法。给出了两种涡旋光束的叠加态的识别方法和流程，并对水信道传输后的叠加态的光强分布图进行了识别，得出叠加态中的拓扑荷数，以此通过实验论证了轨道角动量叠加态可在低拓扑荷数情况下实现16维信息的调制与解调，为涡旋光束在水下无线光通信中的应用提供了一种可行方案。     

轨道角动量叠加态的产生及其检验

带有螺旋相位分布的波束都具有轨道角动量（Orbital Angular Momentum,OAM）,其螺旋相位取决于OAM态拓扑荷数。理论分析了叠加涡旋光束的相位及光场分布,然后将叠加态涡旋光束的相位分布图加载到空间光调制器上产生了多态涡旋光束,讨论了不同拓扑荷数叠加时光场衍射图的分布情况。实验结果表明,叠加态的涡旋光束光场衍射图随着叠加光束拓扑荷数的正负以及数值而呈一定规律性变化,即当叠加的两束光拓扑荷数为异号时,衍射产生的光斑数为两束光拓扑荷数绝对值之和;当叠加的两束光拓扑荷数为同号时,衍射产生的光斑数为两束光拓扑荷数之差的绝对值。通过此性质可以检验涡旋光束的拓扑荷数,为叠加涡旋光束在自由空间光复用通信系统的拓扑荷数检测提供了新的方法。     

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。     

部分相干光束在生物组织中的传输行为北大核心CSCD

基于广义惠更斯-菲涅尔原理,推导了部分相干拉盖尔-高斯(partially coherent Laguerre-Gaussian,PCLG)光束在生物组织传输中交叉谱密度函数的解析表达式,并研究了光束在小鼠真皮组织传输中归一化光强和相位演化受传输距离z、拓扑荷m和径向指数n、空间相干长度σ变化的影响。结果表明,随传输距离增大,光束光强逐渐减弱的同时,光强分布轮廓也由多峰状逐渐演变为单峰状;初始的m阶相干涡旋和n个圆刃型位错先演化成m+2n个相干涡旋,再新生m+2n个相干涡旋。此外,拓扑荷、径向指数、空间相干长度越大,光束的光强分布变化和相位演化越慢。     

高阶径向拉盖尔-高斯光束叠加态的实验研究

利用径向指数相同、拓扑电荷数互为相反数的两束高阶径向拉盖尔-高斯光束共轴叠加,产生了一种新型的复合涡旋光束,从理论上研究了这种复合涡旋光束的光强分布特性以及空间传播特性,并进行了实验验证。结果表明:由高阶径向拉盖尔-高斯光束叠加而成的复合涡旋光束呈多层亮花瓣状;当束腰半径相同时,随传播距离的增加,其光强分布呈展宽趋势但不旋转;当束腰半径不同时,其光强分布发生旋转,并出现旋转拖尾现象,旋转方向和拖尾方向取决于拓扑电荷数正负及束腰半径大小。研究结果对深入理解复合涡旋光束的产生并进一步拓展其应用范围提供了实验依据。     

多通螺旋相位板的涡旋光拓扑荷数4重加倍

为了制备大拓扑荷数涡旋光,对基于螺旋相位板多通的拓扑荷数4重加倍进行了理论分析、仿真模拟和实验验证。根据菲涅耳衍射积分定理,推导了基于螺旋相位板多通的涡旋光拓扑荷数加倍原理。设计了4重加倍装置,建立了相应模型并模拟了拓扑荷数4重加倍后的涡旋光强分布。绘制了相对强度、光束半径随距离变化曲线,得到了加倍过程中半径和强度不会发生突变的结论。最后,使用该装置成功制备了拓扑荷数为4、8、12、16的涡旋光束并对该实验中高阶涡旋光质量较差的原因进行了分析。     

离轴双涡旋的单光束在非局域介质中的传输特性

在非线性介质中,离轴偏移涡旋光束的演化规律服从非局域、非线性薛定谔方程,通过解析法可以得到初始光强和轨道角动量的表达式.采用分步傅里叶法数值模拟离轴涡旋位置、拓扑电荷和涡旋环流方向等因素对光束的临界功率、光束宽度、轨道角动量、相结构分布和传输方向的影响.结果 表明,选择适当的离轴涡旋位置和拓扑电荷,双涡旋的单光束可以实现双涡结构的光强分布,也可以倾斜传输.轨道角动量的大小不仅取决于传统的拓扑电荷,也取决于离轴涡旋位置.因此,此类双涡旋单光束的可控传播在光束的信息携带和传导中具有重要的理论指导意义和应用前景.     

离轴高阶贝塞尔-高斯涡旋光束的传输分析

研究高斯光束经螺旋相位板和轴棱锥产生高阶贝塞尔-高斯涡旋光束的离轴传输情况,对于离轴高阶贝塞尔-高斯光束的成因、 光强分布操控、光斑定位等实际应用具有一定的理论指导意义。利用菲涅尔衍射积分的卷积算法(Triple fast Fourier transform, T-FFT)对离轴高阶贝塞尔-高斯涡旋光束进行仿真分析,着重研究了螺旋相位板和轴棱锥的错位参数、拓扑荷数 以及传输距离等参数对光束带来的影响。分析表明:离轴高阶贝塞尔-高斯光束具有不均匀的光强分布,由于轴棱锥的偏移, 光束会整体发生偏移,传输不同距离光强不均匀分布情况不同,不同的拓扑荷数只影响光斑的扩展,螺旋相位板和轴棱锥离 轴参量值的多种组合会导致多种不同的光强分布情况,甚至出现暗核偏移。     

涡旋光束轨道角动量干涉及检测的研究

分析了涡旋光与平面波的干涉现象,利用涡旋光共轴叠加干涉生成携带双态轨道角动量的光,并将其应用于轨道角动量拓扑荷数的检测。利用叉形错位光栅制备呈中心对称的涡旋光束,并讨论了在不同拓扑荷数情况下,利用两束涡旋光束干涉制备双态轨道角动量光束。数值模拟和实验结果表明,随着拓扑荷数的数值及正负的变化,两束涡旋光束干涉叠加后其干涉图像发生规律性的变化,据此可检测涡旋光束。涡旋光束在信息传输及编码方面具有重要意义,此研究为其在自由空间通信中的复用提供了实验依据,也为光通信系统的性能改善提供了可能。     

计算全息法产生涡旋光束的实验

基于计算全息法,通过计算和模拟得到了涡旋光束与平面光束干涉所产生的位错条纹,用胶片记录位错条纹并制作成位错光栅,在自行设计搭建的光路中进行实验获得1~4 阶的涡旋光束。实验结果表明,各阶涡旋光束的空心半径随着阶数的增大而逐渐增大,与理论分析相符合;实验进一步观察到各阶光栅的二级甚至三级衍射光束,当入射光束中心与光栅位错中心重合时,能够产生光强分布对称的涡旋光束,当光束中心和光栅中心不重合时,产生的涡旋光束的光强分布不对称。这为后续以涡旋光束为捕获光束的光镊实验的进一步拓展及应用提供了理论和技术支持。     

部分相干圆偏振反常涡旋光束的紧聚焦及辐射力研究

根据矢量衍射理论和部分相干理论,推导了部分相干圆偏振反常涡旋光束经过高数值孔径聚焦透镜后的光强表达式。详细讨论了入射光束参数以及聚焦透镜的数值孔径大小对光束紧聚焦特性的影响。研究结果表明:自旋方向,拓扑荷数以及数值孔径大小对光强分布有影响,相干长度以及光束阶数仅改变光强值,光束经过紧聚焦后在轴向方向上自旋角动量可以转换为轨道角动量。此外,研究了紧聚焦后光束对金属瑞利粒子的辐射力。研究表明:低阶光学参数的部分相干左旋圆偏振反常涡旋光束形成的实心光强分布可对金属瑞利粒子捕获。研究结果对部分相干涡旋光束在光镊中的应用具有理论价值。