基于空间光调制器的艾里光束能量调制方法

艾里光束由于具有无衍射、自加速和自愈合等特性,具有重要的应用前景。本文基于空间光调制器可编程特性,提出了一种可调谐的艾里光束能量调制新方法。从理论上深入分析通过在相位图中引入一个可控的调制相位而实现了艾里光束能量调控的方法,并且量化了调制参数与能量调制范围的关系。仿真和实验结果表明通过改变调制相位可以灵活地调节光束能量分布,本文的研究有助于进一步推动艾里光束的应用。     

紧聚焦的角向偏振艾里光束产生超分辨光针

为了研究角向偏振艾里光束的紧聚焦特性,采用理查德-沃夫矢量衍射理论分析优化了艾里光束的指数衰减因子、主环半径与比例因子对其入射光场分布的影响;分别研究了角向偏振艾里光束聚焦场分布与涡旋滤波器调制的角向偏振艾里光束的聚焦场分布,得到亚波长的角向中空场分布与亮场分布,实验结果与理论模拟基本一致。进一步利用粒子群算法设计多环涡旋相位滤波器调制角向偏振艾里光束,紧聚焦后得到了超长无衍射超分辨的横向偏振光针。结果表明,光针的半峰全宽为0.395λ,聚焦深度为37.432λ,纵横比达到94.788;通过计算斯托克斯参量分析聚焦光场的偏振分布,发现聚焦光场在径向偏振与角向偏振之间交替变化,且光束中心奇异点消失,实现了横向偏振的亮场分布。该研究在高密度的磁光存储、超分辨的光学成像、纳米光刻与粒子操作等领域具有广泛的应用。     

二维艾里光束飞秒成丝特性研究

艾里光束因具有无衍射、自愈和、横向自加速等奇异特性,自被发现以来便成为一个研究热点。对艾里光束的基本理论进行了简单的介绍。利用常用的分步傅里叶数值法对二维艾里光束在空气中的飞秒成丝特性进行了研究。重点计算了二维艾里光束在一定条件下初始光场随传播距离的演化过程。仿真结果表明:当入射的飞秒激光能量足够大时,二维艾里光束在传播很短的距离后便表现出强烈的成丝特性。光丝能量在一定传播距离内会维持较高水平,之后急剧衰减直至光丝消失。所做工作对后续开展相关实验研究具有一定指导意义。     

自加速艾里光束的生成及控制

基于切线簇的概念,从几何光学的角度分析了自加速艾里光束的形成过程,以及艾里光束入射面相位分布与其自加速轨迹的关系,并给出了根据自加速轨迹分布函数推算艾里光束入射面相位分布的迭代算法,讨论了艾里光束自修复特性的形成原理。利用液晶空间光调制器调制准直激光束实验生成了二维艾里光束,并对其无衍射、自加速、自修复等特性进行了验证。此外还通过对一维艾里光束的调控实验生成了自聚焦光束和类贝塞尔光束等新型的光束。     

电介质膜增强的Goos—Hǎnchen位移的微波测量

如果在折射率较高的电介质基底上镀一层折射率较低的电介质薄膜（介质膜的另一侧为折射率更低的介质，如空气），并且恰当选择基底内光束的入射角，使得光束在基底一介质膜界面上折射到薄膜内、在薄膜一空气界面上全反射，那么反射光束的Goos—Hǎnchen（GH）位移在一定条件下会得到共振增强。采用微波技术直接地测量了这种Goos—Hǎnchen位移随电介质膜厚度的变化，测量结果与理论预言吻合得较好。     

电介质膜增强的Goos-Hnchen位移的微波测量

如果在折射率较高的电介质基底上镀一层折射率较低的电介质薄膜(介质膜的另一侧为折射率更低的介质,如空气),并且恰当选择基底内光束的入射角,使得光束在基底-介质膜界面上折射到薄膜内、在薄膜-空气界面上全反射,那么反射光束的Goos-Ha¨nchen(GH)位移在一定条件下会得到共振增强。采用微波技术直接地测量了这种Goos-Ha¨nchen位移随电介质膜厚度的变化,测量结果与理论预言吻合得较好。     

不同能量背景的环形艾里飞秒激光光束大气成丝特性

自从第一次观察到飞秒激光大气成丝后,光丝备受科学家的关注。它的潜在应用价值主要包括电子加速、激光雷达远程遥感、太赫兹辐射和超短脉冲压缩。利用数值仿真的方法,通过改变艾里光束的衰减系数,研究了不同能量背景的环形艾里光束飞秒激光大气成丝特性,得到的光丝长度长于拥有相同峰值功率、弱能量背景高斯光束形成的光丝。通过分析飞秒激光光丝演化过程的时间和空间特性,发现了环形能量背景是环形艾里光束沿传播方向形成高能量密度光丝的前提条件。比较了环形艾里光束和高丝光束在成丝过程中的光谱展宽特性,发现不同衰减系数的环形艾里光束具有相似的光谱展宽特性,但要明显弱于高斯光束的光谱展宽。研究成果对与提升飞秒激光成丝效果具有参考意义。     

海底能见度测量方法的研究

文中对半导体激光器进行调制,用分束平片将被调制的激光束分成透射光束和反射光束,透射光束作为探测光束,反射光束作为参考光束。同时,测量探测光束在前向散射区35毅角的散射光功率和参考光束的功率,用散射功率与参考光功率之比来计算角散射系数。激光器输出光功率波动时,探测光束和参考光束同步波动,散射光功率与参考光功率之比不受光源波动的影响。用2 滋m 石英颗粒作为散射源,对构建的装置进行测试。结果表明,角散射系数与石英微粒浓度成线性关系,相关系数为0. 99。双通道测量方式可以用于水底能见度的测量。     

视场增强的平板艾里光片显微镜研究（特邀）

光片显微镜是近些年来研究较多的生物成像技术,相较于传统的激光共聚焦扫描显微镜而言,光片显微镜能够实现快速、低光毒性的体积成像。光片显微镜的照明光束可以选择高斯光束或其他无衍射光束（如贝塞尔光束、艾里光束等）。艾里光片显微镜是目前研究较多的技术,但是普通的艾里光片显微镜存在一个较大的问题,艾里光束具有自弯曲的特性,导致艾里光片在视场的两端超出探测物镜的景深范围,无法发挥出最优的成像效果。将艾里光束旋转45°形成平板艾里光片,使艾里光片不超出探测物镜的景深,以增大光片显微镜的成像视场。并利用双光子荧光激发技术,免除图像的后处理过程,大大提高了成像的效率。利用Matlab进行光学仿真,得到平板艾里光片显微镜的成像视场（~900 μm）比普通艾里光片显微镜的成像视场（~600 μm）增加了50% 。搭建的平板艾里光片显微镜利用荧光微球进行校正实验,得到成像系统的横向分辨率为(1.93±0.17) μm,轴向分辨率为(3.19±0.41) μm。对斑马鱼脑出血模型的实时观测中,可以得到时间分辨率为x×y×z = 0.60 mm×0.60 mm×0.40 mm/60 s 的成像结果,并可以对局部血管的生长和发育进行实时监测,有利于脑出血疾病的机制探究。     

电介质膜增强的Goos-H(a)nchen位移的微波测量

如果在折射率较高的电介质基底上镀一层折射率较低的电介质薄膜(介质膜的另一侧为折射率更低的介质,如空气),并且恰当选择基底内光束的入射角,使得光束在基底-介质膜界面上折射到薄膜内、在薄膜-空气界面上全反射,那么反射光束的Goos-H(a)nchen(GH)位移在一定条件下会得到共振增强.采用微波技术直接地测量了这种Goos-H(a)nchen位移随电介质膜厚度的变化,测量结果与理论预言吻合得较好.     

Cs原子选择反射光谱暗共振的实验研究

近年来热原子电磁感应透明(EIT)和相干布局俘获(CPT)已有相当多的报道,在三能级A型系统中,双光场能够诱导原子基态相干并且导致吸收减小.从实验上研究了A型Cs原子气固界面反射光谱中的暗共振现象.实验中将Cs原子蒸气加热到150℃左右,抽运光调谐到6S1/2(F=4)→6P3/2(F'=3)附近,探测光在6S1/2(F=3)→6P3/2并以近垂直入射到Cs炉表面,实验中观察并讨论了抽运光在不同强度和失谐情况下探测光选择反射光谱中的暗共振.结果可知在大的抽运光强的作用下,亚多普勒结构的反射光谱在共振位置出现了明显的感应透明现象.实验结果对研究无多普勒效应的原子相干,以及原子-器壁碰撞,长程原子-器壁相互作用,器壁表面原子速度分布有一定的意义.     

利用激光边带注入法实现光脉冲的减速和存储

基于激光边带注入法在铷原子蒸气中实现了电磁诱导透明、光脉冲的减速和存储.为实现对铷原子的相干操控,将主激光器的输出锁定在铷87原子D1线F=1→F'=2的跃迁谱线上,经6.8 GHz电光调制器(EOM)调制后,负一阶频率边带与D1线F=2→F'=2跃迁频率共振.将负一阶频率边带注入锁定从激光器,主激光器和从激光器输出的两束激光和铷原子的两基态超精细能级达到双光子共振,实现相干操控铷原子.将主激光器和从激光器输出的两束激光作为探测光和耦合光输入到铷泡中,通过操控两光束的波形和开关观察到电磁诱导透明、光脉冲的减速和存储.     

棱镜-波导耦合实现聚合物波导的全光调制

提出了一种基于改进的棱镜一波导耦合技术实现全光调制的方法。以有机聚合物热光效应为例，泵浦光从等腰三角棱镜顶端垂直入射到光波导上，这样泵浦光和探测光能较容易地耦合到应力点上，从而实现泵浦光对探测光的调制，验证了利用该装置实现全光调制的可行性。观测到基于聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和蒽醌（An7）染料混合薄膜波导的热光效应的全光调制现象，随着泵浦光功率的增大，探测光功率线性减少，调制响应时间约为20ms。该方法也可以用于具有更快响应时间的基于三阶非线性克尔效应的全光调制或全光开关。     

共振光压作用下钠原子束的偏转

本文报导了钠原子束在共振光压作用下的偏转实验及对实验结果的初步分析。 这个实验的特点是利用两块平面镜间来回反射的激光束所形成的多个光场与通过平面镜间的原子束相互作用,使原子束产生偏转。我们使平面镜与原子束成11°角,而入射光与原子束垂直,这时反射光束与原子束成68°夹角。若将激光频率调谐在钠原子的D_2线共振频率上(λ_L=5890(?)),则垂直光束与钠原子共振,而反射光束由于多普勒频移,激光频率对于钠原子束的共振频率低300兆赫,因此反射光束不与原子束相互作用。在垂直光束的作用下,原子吸收光子在光的传播方向获得光子动量,而自发辐射各向同性,因而光子反冲动量平均为0。因     

表面等离子阵列结构中的耦合增强反射效应其红外光谱增强特性研究

使用聚焦离子束刻蚀的方法制备了不同间距的表面等离子结构阵列,研究了由方形和圆形所构成的阵列在不同间距下的光学反应.实验表明,粒子之间耦合效应随着间距的显著减小而逐渐变强,从弱耦合变化为强耦合状态.当间距小于30 nm时,发现耦合增强的反射效应,共振波长也会随着间距的减小而发生红移.将制备的超小间距纳米阵列和傅里叶变换光谱仪的ATR附件相耦合,实验验证了相关阵列结构在红外光谱增强方面的显著效果.相关的发现和表面等离子阵列结构可以在传感、探测和光谱增强等方面取得一定的应用.     

表面等离子阵列结构中的耦合增强反射效应及其红外光谱增强特性

使用聚焦离子束刻蚀的方法制备了不同间距的表面等离子结构阵列,研究了由方形和圆形所构成的阵列在不同间距下的光学反应.实验表明,粒子之间耦合效应随着间距的显著减小而逐渐变强,从弱耦合变化为强耦合状态.当间距小于30 nm时,发现耦合增强的反射效应,共振波长也会随着间距的减小而发生红移.将制备的超小间距纳米阵列和傅里叶变换光谱仪的ATR附件相耦合,实验验证了相关阵列结构在红外光谱增强方面的显著效果.相关的发现和表面等离子阵列结构可以在传感、探测和光谱增强等方面取得一定的应用.     

非偏振辐射激光器调Q用的整体光电开关

在利用各向同性媒质和各向异性电介质界面双反射效应的基础上,研究了非偏振辐射激光器调Q用的整体光电开关,并测量了钕玻璃激光器系统中用KDP和DKDP材料作的开关从自由振荡过渡到Q调制的转换及各种介入损耗的系数值。     

相位全息图几何参数变换对艾里光束的影响分析

艾里光束具有无衍射、自加速和自愈合三大特性，其中自加速特性最吸引人。为更全面了解艾里光束的自加速特性，在保证其轨迹完整的前提下，基于几何变换改变相位图中立方相位的相对位置和旋转角度来探究艾里光束的加速特性，利用傅里叶光学推导出对应的光谱公式进行验证。结果表明，相位图几何变换调制可以显著改变艾里光束的传播轨迹位置和空间偏转位置。研究对艾里光束的自加速特性领域及应用提供了更全面的认识，对控制其他加速光束的理解提供了新的思路。     

基于微环谐振腔的耦合谐振光波导反射镜

研究了一种基于微环谐振腔的耦合共振光波导反射镜.基于耦合模理论,对这种新型波导反射镜的反射光谱进行了数值分析,详细讨论了直波导与微环谐振腔之间的耦合系数和相邻微环谐振腔之间的耦合系数对反射光谱的影响.计算结果表明这种反射镜的反射光谱存在多峰结构,在弱耦合的情况下可以实现波长选择性反射滤波,并且发现在这种波导反射镜中存在类似于原子系统中电磁诱导透明现象的耦合共振诱导透明现象.     

有偏压光伏光折变晶体中自加速光束交互效应的理论研究

采用分步傅里叶法理论探究了有限能量艾里光束和非线性加速光束在有偏压光伏光折变介质中的交互效应。结果表明:调节光束初始间隔和入射角度可使同相位或反相位有限能量艾里光束相互吸引或排斥。同相位时不仅产生呼吸孤子和孤子对，在适当参数条件下还可形成分叉孤子；反相位时仅有孤子对产生；同相位非线性切趾加速光束交互可以产生奇数个呼吸孤子，反相位非线性切趾加速光束交互可以产生偶数个呼吸孤子对。此外，呼吸孤子的峰值强度、呼吸周期和相互作用力的大小均可以通过外部偏压和入射角度进行有效调控。研究结果可为艾里光束交互调控提供理论基础，同时在全光信息处理和光学网络器件制备等领域具有潜在的应用前景。