利用超表面的涡旋光束产生进展（特邀）

涡旋光束因为携带轨道角动量,在光通信、粒子操纵及量子信息等领域都具有重要的应用前景。目前有很多方法可用于产生涡旋光束,如利用螺旋相位板、模式转换、空间光调制器等。然而,传统的方法需要搭建体积相对较大的光学系统,限制了其在集成光学等领域中的应用。不同于传统方法中通过传输效应来获得相位变化,超表面可以通过纳米结构使入射光产生相位突变,在纳米尺度上独立控制动态或几何相位以产生涡旋。超表面具有强大光控制能力的同时,还具有体积小、易于集成等特点,因此成为了产生涡旋光的理想方法。文中在介绍产生涡旋光束基本原理的基础上,回顾了近年来利用超表面产生涡旋光束的研究进展。首先介绍了利用动力学相位、Pancharatnam-Berry (P-B)相位以及混合相位产生光学涡旋的方法。随后,对利用全息与编码超表面产生涡旋及通过多路复用产生多个涡旋等不同方法进行了综述。最后,对基于超表面产生涡旋的一些亟待解决的问题和应用前景作了简单总结与讨论。     

涡旋光束和光学涡旋

就涡旋光束和光学涡旋的基本特征和原理进行了概述,对其产生、传播及应用进行了介绍.对涡旋光束和光学涡旋的研究动态进行了叙述,并对其未来的研究和应用前景进行了展望.     

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。     

涡旋光束和光学涡旋的研究

近年来,涡旋光束由于在囚禁和操控原子及其他微粒中的应用而引起了不少关注和研究.涡旋光束在光束的传播方向上有一个位相项e(ilθ),而且它拥有一个光束轨道角动量,如何从一个高斯基模变换到涡旋光束,已经提出了许多方法,比如在腔内放螺旋位相片直接产生,用计算机得到的位相片产生,用柱面镜或楔形镜产生光学涡旋.此外,在光纤中涡旋也能产生,比如可以使用光子晶体光纤作为一个非线性的两维光子晶体来产生光涡旋孤子.而在螺旋光纤中,纯的光学涡旋或者光学涡旋和TE及TM模式一起以高阶模形式出现,纯的模式在螺旋光纤传导中,会加上一个和内禀角动量以及螺旋立体角成比例的拓扑位相,而且HE和EH模式的工和y分量的分布模式在传输时也有旋转.1997年,E Abramochkin用一个图像旋转腔来产生一个涡旋激光束,在钝角三角形腔中用一个Dove棱镜来旋转光束,随着不同的棱镜旋转角度,可以得到不同的螺旋类型的激光光束.2003,Arlee V Smith在一个图像旋转腔的纳秒级光学参量振荡器里获得了涡旋光束,它的种子光和腔轴失调,在腔中形成了4个有着固定位相差的稳定模式,从而输出耦合成为一个涡旋光束.文中介绍用一种失调的多模光纤来做一个旋转腔,而把高斯基模光转换为一个涡旋光束的方法.在实验中,光源采用He-Ne的基模高斯光束,当激光束倾斜入射在光纤耦合器时,出射光场的模式会随输入位置和输入角而改变,在实验中用的是多模光纤,分别得到了顺时针和逆时针的涡旋光束, '还的到了环状空心光束.用光强分布仪记录了光束的分布,得到了不同尺寸光纤纤芯的光强分布图;测量了光束转换耦合效率,结果是涡旋光束的耦合输出效率达到了80%以上;空心光束的耦合输出效率达到了50%以上.另外,对于失调耦合器下多模光纤产生光学涡旋的理论分析和研究也将进一步研究.由于这种方法产生的光束稳定性很好,不仅可以产生实验所需要的光束,还可以把这种光束传输到所需要的地方,因此,应用前景很广,如操控原子、微粒和细胞等,也是一种特殊的光镊.     

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。     

矢量涡旋光束的表征及腔内生成技术北大核心CSCD

矢量涡旋光束是一种新型的结构光场,具有螺旋相位和横截面各向异性偏振分布,在光镊、旋转体探测、光通信、高分辨率成像、量子信息等领域展现出广泛的应用前景。随着研究的不断深入,对矢量涡旋光束的复杂光场模式分布要求越来越高,给矢量涡旋光束的生成技术带来了巨大的挑战。此外,如何更加实用且有效地完备表征矢量涡旋光束的模场分布、模式特性亦是其应用的重要基础。本研究团队长期从事包括矢量涡旋光束在内的结构光场调控及应用技术研究,提出了多种输出模式连续可调的矢量涡旋光束腔外、腔内生成技术。介绍了近年来本课题组在矢量涡旋光束的表征和腔内生成方面的主要工作,包括矢量涡旋光束总角动量态的四参量表征法、激光谐振腔内横纵模调控技术等,并在此基础上报道了人眼安全波段全固态矢量涡旋光束激光器。     

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。     

基于液晶器件的同轴复合涡旋光束的产生及调控

传统的多涡旋光束多为离轴光束,需要更精密的镜头、光路复杂且成像质量差,限制了其应用。本文设计并制备了一种基于液晶器件的复合q-plate,其透射效率大于95%,同时可生成同轴复合涡旋光束。通过理论和实验证明了该器件生成的复合涡旋光束的传播特性,该光束具有自旋和长距离衍射后自愈等新颖的衍射现象,生成的同轴复合涡旋光束避免了传统多涡旋光束离轴的缺点。此研究为粒子捕获和操控、光信息处理、光学加密和光学测量等领域的应用提供了全新的手段。     

涡旋光束的自适应光学波前校正技术研究进展（特邀）

涡旋光束携带了与其螺旋波前结构相关的轨道角动量,由于其在通信系统不增加带宽情形下可极大增加系统容量和频谱效率,引起了广泛关注。然而,自由空间中的湍流将导致涡旋光束的螺旋波前发生畸变,产生模间串扰,降低接收功率,从而削弱链路性能。自适应光学波前校正技术是克服干扰的有效手段之一。综述了涡旋光束的自适应光学波前校正技术的发展,阐述了Shack-Hartmann、随机并行梯度下降、Gerchberg-Saxton三种算法的校正原理,分析了深度学习在波前校正技术中的应用,并介绍了笔者课题组对水下湍流环境中波前校正技术的研究工作。     

用LCD产生位错光栅生成空心光束

空心光束具有一系列特殊的物理性质,在激光光学、二元光学、微观粒子的光学囚禁、生物医学等方面有着广泛的应用前景。由于螺旋波波前包含周期性结构的位错,这种位错结构的光波在轴上的光强为零,本文采用计算全息的方法用螺旋波与平面波相干涉获得位错条纹,再利用单色平面波经LCD衍射得到空心光束。实验结果表明,采用由计算机控制LCD生成空心光束具有实时、可调的特点,比利用胶片刻印制作的光栅更加方便、快捷和精确。