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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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...     

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。     

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。     

透镜球差对拉盖尔-高斯涡旋光束聚焦特性的影响及改善方法

涡旋光场调控对涡旋光在激光通信、生物操控等领域的应用研究具有重要意义。为了揭示透镜球差对拉盖尔-高斯(Laguerre-Gaussian,LG)涡旋光束传输特性的影响,本文基于菲涅尔衍射理论,模拟研究了不同透镜球差系数下的LG光束聚焦场的强度、相位以及螺旋谱分布。结果表明:光学系统初级球差系数的增大恶化了LG光束聚焦场的强度分布和螺旋相位,弥散了轨道角动量(orbital angular momentum,OAM) 。由此,本文提出了一种光阑补偿方案,通过在透镜前添加大小合适的圆孔光阑,以消除透镜像差。光阑补偿后的LG光束聚焦场由星芒状空心分布恢复为空心圆环分布,OAM态保持单一稳定。本研究工作为改善透镜像差对涡旋光的传输影响提供了解决方案。     

直接输出的超短脉冲轨道角动量涡旋光产生技术研究进展（特邀）

轨道角动量（OAM）涡旋光是一种具有相位孤立奇点的光场,其相位波前呈螺旋分布,光场复振幅包含螺旋相位项exp(ilθ)。近年来,OAM涡旋光被广泛地应用在光学操控、成像、通信、传感等方面。超短脉冲OAM涡旋光同时具有涡旋光和超短脉冲的优点,可应用于手性材料加工、远距离传输、强场物理研究,非线性频率转换研究等方面。通过激光器直接产生OAM涡旋光具有系统整体简便性高和光束质量好等优势,对国内外基于有源方法产生超短OAM涡旋光的方法进行了总结。目前,通过有源方式产生的超短OAM涡旋光的脉冲宽度还局限于几百飞秒,如何通过直接输出的方法获得百飞秒以内甚至是少周期脉冲涡旋光输出将是未来研究的一个重要方向。     

涡旋光束的自适应光学波前校正技术

涡旋光束是一种具有螺旋波前的光束，其特点是其光强分布为环形，携带有与螺旋波前结构相关的轨道角动量。由于涡旋光束的角量子数可取任意整数，同时不同角量子数的光束之间相互正交，因此可提高光通信系统的信道容量。但涡旋光束在自由空间传输时会受到大气湍流的影响，进而产生波前畸变，因此需要采用自适应波前校正技术对畸变后的光束进行校正。文中对现有的涡旋光束波前校正技术进行了概述，重点介绍了笔者课题组提出的应用GS相位恢复算法和高斯光束探针相结合对涡旋光束波前畸变校正的技术及应用SPGD算法和泽尼克多项式对涡旋光束波前畸变校正的研究工作。     

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...     

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。     

光环晶格的产生与传输研究

理论和实验研究了单环与多环晶格的产生及空间传输特性。数值结果表明,光环晶格初始产生时共轴叠加的拉盖尔高斯涡旋光束拓扑荷之差决定着光强分布中亮暗花瓣状光斑数量;暗环晶格的相位分布存在奇异点,与光强分布中暗花瓣状光斑数量及位置相互对应,亮环晶格相位分布中无奇异点;随传播距离的增加,光环晶格的亮暗花瓣状光斑均远离光束中心,暗环晶格拓扑荷为正值发生顺时针旋转,为负值则发生逆时针旋转,亮环晶格无旋转特性。实验上,利用反射式空间光调制器产生了光环晶格并使用CCD记录保存,探究了光环晶格的光强分布以及空间传输特性。实验结果与理论结果基本符合,该研究成果为光环晶格的冷原子捕获提供了一定的理论与实验依据。     

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。     

涡旋光束的几何坐标变换技术及应用研究进展（特邀）

涡旋光场因其具有光学轨道角动量（Orbital angular momentum, OAM）而倍受关注。OAM这一独特物理特征赋予了涡旋光场一个无限高维的空间自由度,同时也引发了光场奇特的干涉、衍射、传输等性质。OAM识别和探测技术的发展是涡旋光从基础研究走向应用的关键。文中聚焦于OAM探测领域的一个重点研究方向——涡旋光几何坐标变换技术。详细介绍了该技术的基本原理、优势特点、研究进展和应用情况。涡旋光几何坐标变换是指通过特殊的调制相位设计,使涡旋光束的空间几何结构发生特殊的变化,从而可通过简单透镜聚焦等方法实现OAM模式的识别、分选等。相较于传统的涡旋光识别和探测技术,涡旋光的几何坐标变换这一新兴技术具有器件无源、无能量损耗、结构紧凑、价格低廉等突出优势,成为涡旋光的空间分离和解复用的高效有力工具,为涡旋光束在经典/量子态密度测量、OAM乘除法器、经典光通信和量子纠缠等前沿应用提供了全新的研究平台,蕴含巨大的发展潜力,具有广阔的发展空间。