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。     

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。     

光束轨道角动量的量子通信编码方法研究

高阶Bessel无衍射光束具有轨道角动量,并且是在自由空间中传播时一定范围内横向强度分布保持不变的单色光场,光场中的每个光子都具有确定的轨道角动量 ,在每一本征模中由光量子携带的角动量数由拓扑荷 表示,本征态 可被用于多维量子纠缠。文中基于高阶Bessel光束,提出一种利用具轨道角动量光子正交态作为信息载体实现光通信的方法,每光子携带有确定的轨道角动量态,可以提高通信协议的密钥生成效率,也为增加光通信距离提供一种量子解决方案。     

一种基于OAM的FSO误码性能的理论分析方法

携带轨道角动量的涡旋光束在自由空间光通信信道中传输时,信道中的湍流介质会改变涡旋光束的传播特性,破坏波前螺旋结构,最终直接影响通信的稳定性和可靠性.针对现有实验研究在普适性方面的不足,本文选取基于相干光束合成技术的高功率涡旋光束阵列为研究光源,从理论角度出发,建立一套完备的体系架构,用以分析大气湍流引起的幅度和相位起伏对基于轨道角动量的自由空间光通信系统性能的影响.应用光学外差检测,对湍流条件下信噪比的随机分布进行详细的研究,并基于此得到多进制相移键控调制下符号错误概率的解析表达式,评估不同湍流信道参数、光源参数以及接收机参数对符号错误概率的影响.结果表明,增大阵列子光束束腰半径、阵列子光束个数,减小阵列环状半径,可以提高光束质量,优化系统性能.另外,较小的拓扑荷数、传播距离和湍流强度以及较大的接收孔径直径使得符号错误概率较低,对应的通信性能更佳.     

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。     

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。     

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.     

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。     

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...     

高功率涡旋拉曼光纤激光器EI北大核心CSCD

近年来,携带轨道角动量的涡旋光束在激光加工、光学微粒操纵、超分辨成像、大容量光通信等领域应用广泛,目前已在稀土掺杂光纤激光器中得到了广泛研究。基于声致光纤光栅,实验搭建了全光纤结构拉曼光纤激光器,实现LP_(01)模与LP_(11)模的有效调控,并进一步通过偏振控制实现环形径向偏振光和拓扑荷数l=±1的涡旋光束输出,最高输出功率~70 W,中心波长为1134 nm。文中提出的激光器有利于拓宽涡旋光束输出波段,在多维光通信、光场和物质相互作用等领域具备较大研究价值和应用潜力。     

圆艾里高斯涡旋光在各向异性非Kolmogorov湍流大气中的传输

采用非均匀采样与功率谱反演法产生与湍流尺度相关的各向异性非Kolmogorov湍流随机相位屏,进而利用空间光调制器模拟研究圆艾里高斯涡旋光束在大气湍流中的漂移特性和轨道角动量态变化。数值模拟和光学实验结果均表明,圆艾里高斯涡旋光束的漂移值随光束衰减系数、光束主半径、大气湍流外尺度和传输距离的增大而增大,随湍流各向异性系数和光束拓扑荷值的增大而减小,并且在湍流幂律值为3.3附近有极大值。此外,通过对比圆艾里高斯涡旋光束经过大气湍流前后的干涉条纹图样,发现整数阶时拓扑荷值越小,光束经过湍流之后拓扑荷值稳定性就越好。     

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。     

酵母细胞在涡旋光阱中的旋转动力学研究

利用液晶空间光调制器对高斯光束进行相位调制后可生成涡旋光束。因涡旋光束本身具有轨道角动量,酵母细胞被光阱捕获后会绕其中心旋转,对酵母细胞旋转的时序信号图进行傅里叶变换后可测出酵母细胞在光阱中的旋转角速度。详细讨论了酵母细胞旋转角速度随激光功率、拓扑荷以及捕获高度的变化关系。实验结果表明,酵母细胞的旋转角速度与激光功率成正比,与拓扑荷的平方成反比;捕获高度在14μm时角速度达到最大值;细胞在涡旋光阱中的旋转方向可由拓扑荷的符号决定,正号为逆时针旋转,负号为顺时针旋转。此实验结果有望应用在细菌鞭毛马达力矩的测量实验中。     

涡旋光束照射下特殊形状微型物体所受的力矩

以射线光学模型为基础,研究了特殊形状微型物体在涡旋光束照射下的所受力矩。根据动量和角动量守恒定理,推导了微型物体在x、y和z方向上受力旋转的力矩公式。通过数值计算,得到了微型物体在不同表面倾斜角度的情况下的旋转特性。研究结果表明,由于涡旋光束的轨道角动量与光束动量的相互作用,改变涡旋光束的拓扑荷数,既可以使微型物体保持静止,也可以改变微型物体旋转的方向和旋转的速度。     

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。     

部分相干Airy涡旋光束在非Kolmogorov谱中的模态强度

为了探究部分相干Airy涡旋光束在非Kolmogorov谱中模态强度的演化规律,基于广义的Huygens-Fresnel原理和Rytov近似理论,推导了部分相干Airy涡旋光束的轨道角动量模态概率的解析式。结合MATLAB的数值模拟,研究了部分相干Airy涡旋光束在非Kolmogorov谱湍流大气中传输时湍流参量和波束参量与涡旋模态强度的关系,对部分相干Airy涡旋光束的相干宽度在传输过程中对模态强度的影响进行了理论分析。结果表明,选取拓扑荷数较小、主亮环半径较大、波长较长的部分相干Airy涡旋光束能有效减缓湍流效应的影响,减小强湍流中模态间的串扰;较大的湍流谱幂指数和较小的探测器孔径直径能提高部分相干Airy涡旋光束的模态强度;与完全相干涡旋光束相比,部分相干涡旋光束具有较强的湍流阻力,在大气湍流中能有更好的传输性能,相干性较差会导致螺旋谱分布弥散。这些结果对自由空间光通信的研究具有一定的参考价值。     

涡旋光束制备及其在惯性测量领域的研究进展（特邀）

涡旋光束是一种携带轨道角动量且具有螺旋波振面的新型结构光场。自1992年Allen等首次证明了近轴条件下带有螺旋相位因子的光场具有轨道角动量以来,涡旋光束因其在光操控、光通信、光学测量和遥感等领域中的广泛应用而备受关注,特别是近年来涡旋光束在惯性测量领域的应用吸引了诸多学者的研究兴趣。文中主要涉及三个方面的内容:涡旋光束制备方法研究进展;涡旋光束在惯性测量领域中的关键应用,具体为基于涡旋光的旋转多普勒效应和量子陀螺;最后还就惯性测量对涡旋光束制备提出的新要求进行了讨论。     

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。     

基于深度学习的复合贝塞尔高斯光束大气湍流效应补偿

相位失真是实现涡旋光束轨道角动量复用技术实际应用的主要挑战之一。本文提出了一种基于深度学习的复合贝塞尔高斯涡旋光束大气湍流效应补偿方法,以提高模态分离与检测准确度。设计的网络通过学习不同轨道角动量下畸变光束强度分布与湍流相位之间的映射关系,具备了适应未知湍流环境的泛化能力,可以有效地预测等效湍流相位屏。仿真结果表明,复合贝塞尔高斯光束在不同湍流强度下传输1000 m并经过相位补偿后,光强相关系数可提高至0.97以上;在强湍流下传输1500 m并经相位补偿后,拓扑荷数为10的模式纯度从2.43%提高至64.07%。该方法对畸变光束具有更强的特征提取能力,在快速准确预测等效湍流相位屏方面具有良好的泛化能力,有助于提高未来轨道角动量复用技术的可靠性。