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。     

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。     

叠加态涡旋光束经旋转随机粗糙表面的频移特性

论文基于涡旋光束传输特性及光散射理论,研究了叠加态涡旋光束经旋转随机粗糙表面的场分布及干涉特性.对拓扑荷值大小相同、符号相反的两束涡旋光进行了叠加生成仿真及实验,利用角谱衍射理论,分析了旋转随机粗糙表面均方根粗糙度对光束传输的影响,数值计算了不同拓扑荷值的叠加态涡旋光束经旋转随机粗糙表面后,与参考光进行干涉得到不同转速下归一化强度值随时间变化的曲线,并通过光强-时间函数间接求得频移量,再反演得到旋转目标的转速.结果表明:通过仿真曲线的周期反演频率,当转速Ω分别为2π/3 rad/s,2πrad/s,10π/3 rad/s时,对应的频移Δf分别为2/3Hz,2Hz,10/3Hz.研究结果可以为叠加涡旋光的调控及应用提供理论参考.     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

新颖旋转涡旋光束的传输特性研究

正涡旋光束的相位分布具有螺线形,其相位因子为exp(imθ),光束中的每个光子携带m的轨道角动量,其中m称为拓扑荷数、从傍轴波动方程出发,一是推导出一种新颖旋转涡旋光束的解析解,解析结果表明,该旋转涡旋光束在传输过程中旋转,而且该新颖旋转涡旋光束的光斑像"X"形状、二是数值模拟傍轴波动方程。三是采用计算全息和空间光调制器的技术在实验中观察了不同传输距离处的光斑。通过以上研究表明,新颖旋转涡旋光束的解析结果、数值结果与实验结果吻合较好。此外,通过实验还测量了不同分布因子对光斑结构的影响,从而验证了新颖旋转涡旋光束的旋转以及保持"X"形状的特性。研究结果进一步完善了旋转涡旋光束,为实现新型奇特光束提供了科学的理论和实验依据、     

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...     

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。     

分数阶涡旋光束的轨道角动量的测量

理论分析了拓扑电荷数为分数且大小相等、符号相反的两束涡旋光束的干涉,实验研究了分数阶涡旋光束的拓扑电荷数的改变对干涉的影响。研究结果表明,采用加道威棱镜的马赫曾德尔干涉方法可以容易地分辨拓扑电荷数为0.5的整数倍涡旋光束,而其它分数阶涡旋光束的分辨则比较困难。     

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.     

用反射式纯相位液晶空间光调制器产生涡旋光束

利用反射式纯相位型液晶空间光调制器(LCSLM)实时动态地产生不同拓扑荷数的涡旋光束,能量转换效率高达60%。并分析了其与平面波以及球面波的干涉特性。当CCD在非成像面上时,涡旋中心出现暗核,且其直径随拓扑荷数的增加而增大。实验结果和理论分析基本一致。     

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。     

利用涡旋光轨道角动量的8进制数据传输

提出了一种基于涡旋光轨道角动量特性与8进制数据编码相结合的数据传输方法。原理为将传输数据进行8进制编码,并将每个比特映射为不同大小的拓扑荷值,使用轨道角动量键控法得到相应拓扑荷值的涡旋光,并使用复二重振幅光栅进行拓扑荷检测从而得到相应的编码数据并最后进行反向解码。通过仿真验证了,相比于普通的二进制光传输涡旋光8进制数据传输具有更大的信道容量。最后通过具体实验得到实际的涡旋光九宫格图像并进行分析,验证了涡旋光8进制数据加密传输的可行性。     

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。     

共轭涡旋光干涉位移测量拓扑荷优化实验研究

以共轭涡旋光干涉原理为基础,理论分析了干涉图像旋转角度和位移量的对应关系,利用光学仿真系统验证了理论的可行性。采用基于空间光调制器和改进型的马赫-泽德干涉仪组成的共轭涡旋光干涉测量系统,利用不同拓扑荷数的共轭涡旋光实验测量了纳米位移台的位移变化。实验结果表明,在位移量为100 nm、200 nm和250 nm的情况下,拓扑荷数为3时的相对误差最小,分别为2.19%、1.28%和1.27%。研究结果有助于提高基于共轭涡旋光干涉位移测量的精度。