分光棱镜干涉法测量涡旋光束拓扑荷

理论分析并实验研究了涡旋光束通过单分光棱镜后的自干涉现象.研究结果表明,不同于涡旋光束与平面波或者球面波干涉,涡旋光束自干涉条纹呈"扭曲"状,且在干涉条纹边缘处会出现"断裂"条纹,其数目随着涡旋拓扑荷数增大而增大,且"断裂"条纹的指向与拓扑荷符号相关.上述结论提供了一种原理和操作简单的测量涡旋光束拓扑荷数的方法.     

球面波干涉法测量拉盖尔-高斯光的轨道角动量

采用球面波的拉盖尔-高斯光(LG光)和平面波的基模高斯光干涉的方法 ,可观察到多叶螺旋的干涉图样,螺旋的叶数即是LG光的拓扑荷数,由拓扑荷数可知光子的轨道角动量.利用涡旋相位片产生拓扑荷数1～8的LG光,研究了光强比和偏振条件对干涉图样的影响.为获得高对比度的干涉图样,要求LG光和高斯光的偏振方向相同并且光强基本相等.球面波干涉法用于测量LG光的轨道角动量简单直观,与干涉光强空间分布的细节无关,因此对光强扰动和背景噪声不敏感.     

从平面波的线性干涉到涡旋光的角向干涉

依托中学生“英才计划”课题，以光场调控技术为选题，开展了从平面波线性干涉到涡旋光角向干涉演化过程的实验教学.从理论上模拟了涡旋光束与平面波的相干叠加，通过数值分析确认了拓扑荷数与干涉条纹的关系.实验上利用螺旋相位板制备涡旋光束，并采用马赫-曾德尔干涉法观测光强分布图.结果表明：涡旋光束与平面波的相干叠加，可以视为在线性干涉图样中移入与拓扑荷数相关的叉型条纹；而具有相反拓扑荷数的涡旋光束的角向干涉图样，则呈现与拓扑荷数相关的角向干涉条纹.     

利用全息法在偶氮聚合物薄膜中记录涡旋光场

利用全息技术在偶氮聚合物薄膜中记录了拓扑荷数q=–1,1,2,4的涡旋光场,并将记录的原始叉形光栅与计算全息光栅进行对比,对不同拓扑荷数涡旋光的记录速率和偶氮材料的可重复擦写性能进行了测试;记录完成后,将复现涡旋光与高斯光束干涉,并与原始涡旋光和原始叉形光栅对比,分析了记录质量.实验结果表明:高阶涡旋光场的全息叉形光栅会在记录过程中发生劈裂,轻微劈裂的涡旋光束仍维持一个稳定的环状结构;全息记录过程中不同拓扑荷数的涡旋光束记录速率较为统一,偶氮材料可经过上百次的擦写而不出现疲劳;再现涡旋光与原始涡旋光在光强分布结构上保持高度一致,再现涡旋光的干涉条纹与原始涡旋全息光栅保持高度一致,涡旋光及其携带的拓扑荷信息可被有效记录和读取.     

涡旋光束的产生与干涉

分别从理论上和实验上研究了涡旋光束的产生和干涉现象.理论上分析了分数阶和整数阶涡旋光束同球面波以及平面波的干涉情况,并从实验上得出了其干涉图形.实验结果和理论模拟基本上一致.研究表明,随着涡旋光束拓扑荷数的变化,干涉图形也会产生变化.这一现象可用于测定分数阶涡旋光束的拓扑荷数.     

平面涡旋光干涉的分析

光学涡旋具有独特的相位奇点和螺旋相位结构, 多个涡旋光场之间的干涉呈现出新颖的强度和相位分布特征.通过在平面波背景中嵌入涡旋相位产生平面涡旋光场, 采用数值模拟方法研究了多个平面涡旋光场之间的干涉, 并分析了两个平面涡旋光场的中心间距及拓扑荷值对涡旋产生和湮灭的影响.进一步数值研究了对称分布的多个点涡旋光之间的干涉, 结果表明通过改变涡旋光束数目或者拓扑荷值, 可获得不同分布的对称涡旋阵列光场.利用计算全息并通过空间光调制器, 实验上实现了具有不同拓扑荷值的多个对称点涡旋光场的干涉, 其干涉图样与模拟结果吻合.实验结果不仅证实了数值模拟结果, 也为实验研究复杂涡旋光场的干涉提供了一种有效方法.     

涡旋光束轨道角动量检测及其性能改善

利用光栅检测涡旋光束轨道角动量(OAM)并进行性能改善的方法容易实现且能降低通信系统成本。将涡旋光束照射到周期渐变光栅和环形光栅的合适位置,观察衍射图中光斑的分布规律,并对入射涡旋光束进行检测。实验结果表明,通过判断光斑中暗条纹的数量和朝向便可确定入射涡旋光束的拓扑荷的大小和正负,利用相位校正技术或光束复制技术可以使衍射结果中的条纹更加清晰,使用这两种技术后可将检测到的拓扑荷数提高至30。该研究为OAM复用通信中的解复用和涡旋光的产生提供了依据。     

基于Sagnac干涉仪的涡旋光制备方法

为了制备高质量涡旋光,对基于Sagnac干涉仪的涡旋光制备方法进行了理论分析、改进设计和实验验证.介绍了高斯光束叠加和附加相位差π产生的原理,在分析干涉回路对横向剪切量影响的基础上,搭建了基于Sagnac干涉仪的涡旋光制备装置,给出了搭建实验平台的相关注意事项,并利用本方法分别制备出拓扑荷数为+1、-1的涡旋光.涡旋光在不同传播距离下拓扑荷数始终保持为+1或-1.基于光斑可调的改进实验装置可有效提高涡旋光质量.     

液晶相息图用于光学检测

根据液晶的动态响应和位相调制特性,研究了一种利用液晶显示器进行光学检测的检测方法.实验中,把液晶显示器改造为纯位相的空间光调制器,并测定了它的位相调制特性.实验测得：改造后的液晶显示器可实现1 λ(λ=632.8 nm)的调制量.通过引入相息图的方法,实现了液晶空间光调制器的大位相调制量.并产生了调制量为3.4 λ的球面波.最后,利用液晶显示器检测了凸透镜的前表面.检测结果发现,干涉条纹为平行直条纹且PV值为0.32λ.     

涡旋光束在双拉盖尔-高斯旋转腔中的非互易传输

通过构造两个线性耦合的拉盖尔-高斯旋转腔系统,实现携带轨道角动量的涡旋光束的非互易传输现象.系统中,两个拉盖尔-高斯旋转腔模通过扭力与中间的旋转镜耦合,同时两个涡旋腔场通过光纤直接耦合起来.两个强光场分别驱动不同的腔模,并利用一个弱探测场从系统一侧入射,从而对该系统两个传播方向的光响应特性进行研究.利用该系统哈密顿量和海森伯-郎之万方程,结合输入-输出关系可得到系统的输出光谱.结果表明此系统中的涡旋光束的非互易性来源于光旋转相互作用以及涡旋腔场相互作用之间的量子干涉效应.因此,可以通过调节非互易相位差来对系统的非互易传输进行调制.此外,两个涡旋光束所携带的拓扑荷比值会显著影响传输特性;在适当的拓扑荷比值下,该系统可以实现涡旋光束的单向传输.本研究成果有望用于实现理想的涡旋光隔离器.     

用四台阶相位板产生涡旋光束

涡旋光束的产生与应用是当前光学领域的研究热点. 利用傅里叶级数展开法分析了四台阶相位板的相位结构, 发现四台阶相位板可看作是由一系列不同拓扑荷数的螺旋相位板所组成, 用线偏振光直接照射相位板时, 将产生多级衍射光波, 各级衍射光均为不同拓扑荷数的涡旋光波, 由于多级衍射光波间的干涉导致光强分布偏离轴对称分布, 因而与涡旋光波有一定差距. 在此基础上, 提出了用四台阶相位板产生涡旋光束的新方案, 借助于Mach-Zehnder 干涉仪光路, 两块四台阶相位板产生的衍射光干涉叠加, 通过调节干涉仪光路的相位差, 使一部分衍射级干涉相消, 另一部分衍射级干涉相长, 相互加强, 从而把线偏振光转换为涡旋光束. 数值模拟计算了几种周期数不同的四台阶相位板衍射光强和角动量分布, 并与螺旋相位板进行比较, 证明用简单的四台阶相位板不仅能够获得与用螺旋相位板相同的涡旋光束, 而且可以用周期数较小的四台阶相位板产生具有大拓扑荷数的涡旋光束, 降低了制作相位板的难度.     

幂指数相位涡旋光束用于微粒操控

实验验证了一种利用幂指数相位涡旋光束(PEPV)操控微粒的方法。该方法基于幂指数相位涡旋光束理论,产生不同拓扑荷数与方位角幂指数大于1的涡旋光场的相位全息图,并将该全息片经计算机输入到空间光调制器(SLM)上用于调制入射激光光束。利用透镜对被调制光束进行傅里叶变换,利用光阑在频域对衍射光斑进行筛选和过滤,并利用倒置高倍光学显微镜将光束成像于载物台样品上。利用该幂指数相位涡旋光束对微米级粒子实现了定向光学输运。研究结果表明,该光束在粒子的定向输送与收集方面有独特的功能,将进一步拓展光学涡旋光束的实际应用范围。     

螺旋微孔阵列对涡旋光束的调制机理研究

从理论和实验上研究涡旋光束通过具有费马螺线分布微孔结构的衍射板后拓扑荷数的变化情况,以及光束强度分布的衍射和聚焦特性。利用一个正透镜对衍射光束进行聚焦,观察和研究聚焦光束在焦平面后一定范围内的光强分布变化情况。衍射光束的最内环光强分布在束腰前后约有五个变化阶段。这一变化趋势适用于涡旋光束通过微孔沿不同费马螺线分布的衍射板的情况,无论是螺线旋转方向的改变,还是螺线结构数目的改变。通过衍射光束与球面波的干涉来验证拓扑荷数的变化规律。结果表明,这种衍射可以产生新的拓扑荷数,其变化与入射涡旋光束的相位波前和螺旋微孔阵列的相对旋向有关。     

完美涡旋光束在大气湍流中的斜程传输特性

完美涡旋（POV）光束具有光束半径与拓扑荷数无关的特点,与其他涡旋光束相比具有更加稳定的空间强度分布特性。利用多相位屏法和傅里叶变换法,分析了POV光束在大气湍流中的斜程传输特性。采用光束漂移和孔径平均闪烁指数作为大气湍流影响光束质量的评价参数,对比了POV光束与高斯涡旋光束在相同传输条件下的光束质量。结果表明：相比于高斯涡旋光束,POV光束的光束稳定性更好。当拓扑荷数增大或天顶角减小时,POV光束抵抗大气湍流的能力增强。在不改变POV光束拓扑荷数的前提下增大其光束半径,也能提高POV光束对大气湍流的抵抗能力。     

角向偏振涡旋光的紧聚焦特性研究以及超长超分辨光针的实现

系统研究了角向矢量涡旋光的紧聚焦焦斑特性,解释了焦平面自旋角动量局域化分布的形成原因.角向矢量涡旋光可分解为左、右旋圆偏振电场叠加,将分解所得的左、右旋分量分别经大数值孔径透镜聚焦,总聚焦电场可视为左、右旋分量聚焦电场的干涉叠加.经分析研究后发现,左、右旋分量各自聚焦电场的纵向分量大小相等、相位相反,完全干涉相消,使得总聚焦电场的纵向分量消失;而各自聚焦电场的横向分量则完全相反,几乎不发生干涉,总聚焦电场表现为非相干叠加.角向偏振光引入涡旋相位后,使得左、右旋电场分量的轨道角动量的拓扑荷数发生变化,拓扑荷数的绝对值不再相等,而是恒定差值为2.因此左、右旋电场的横向分量由于携带不同的拓扑荷数,分别聚在焦平面的不同位置,而横向分量发生非相干叠加,不相互影响,最终形成了总电场偏振态的局域化分布,即自旋角动量局域化分布的现象.随后,本文横向对比了1阶角向矢量涡旋光和径向偏振矢量光的超分辨焦斑特性,分析了各自的优、缺点以及影响焦斑尺寸的因素.最后,兼顾了超分辨光针的性能和实际实现难度,设计了6环带的二元相位板对1阶角向矢量涡旋光进行了波前调制,实现了横向半高全宽为0.391λ,纵向半高全宽为25...     

单环多段光强分布检测光学涡旋拓扑荷值

针对涡旋光束检测范围局限这一问题, 提出了一种新的光学涡旋拓扑荷值检测方法-单环多段光强分布检测法, 它以分段数和环半径为两大检测常数, 将检测涡旋光束拓扑荷值范围扩大到了128种, 与以往利用旁瓣调控光学涡旋检测拓扑荷值方法相比, 检测范围扩大了1个数量级. 单环多段光强分布是基于计算机全息图实现在远场衍射焦平面上环半径相等的两束携带不同拓扑荷数的涡旋光束叠加后形成的光强分布. 计算机模拟和光学实验验证了所提出方法的可行性, 该方法在自由空间光通信领域具有一定的研究价值和应用潜力.     

数字全息术测定涡旋光束拓扑电荷数

提出了一种基于数字全息技术测定涡旋光束拓扑电荷数的方法.该方法通过数字全息技术获取涡旋光束和参考光的全息图并重构出涡旋光束的波前相位,判定相位围绕相位奇点的周期性分布来测定涡旋光束的拓扑电荷数.在拓扑电荷数取值分别为整数和分数的情况下,通过对数值模拟和实验结果的比较,表明该方法能够较准确地测定出拓扑电荷数.     

拓扑荷数对拉盖尔-高斯涡旋光浑浊水下传输的影响EI北大核心CSCD

以高斯光作为参考光,实验研究了携带不同拓扑荷数的拉盖尔-高斯(LG)涡旋光在浑浊水下的传输行为。结果表明,水体较浑浊(衰减长度不大于0.118m)时,拓扑荷数较大的LG光束具有更强的水下传输能力;对于透射光束的能量密度分布而言,传输距离决定最佳拓扑荷数,与水体浑浊程度无关。该实验方法和测量结果对LG涡旋光在水下光通信和水下目标探测等领域的应用具有潜在的指导意义和工程价值。     

完美涡旋光中微米级粒子的受力与力矩特性分析

基于紧聚焦方法在几何焦平面处获得了完美涡旋光场,理论分析了该光场中微米级尺寸微粒受到的光学力与轨道矩。结果表明,该完美涡旋光可以在横平面上捕获微粒并驱动其绕光轴做轨道旋转运动,微粒受到的轨道矩随着拓扑荷的增大先增大后趋近于稳定。此外,分析了圆偏振、径向偏振和方位角偏振完美涡旋光对微粒施加的光学力和轨道矩。结果表明完美涡旋光的偏振态在一定程度上会影响微粒的轨道运动,圆偏振完美涡旋光更适合用于诱导微粒轨道旋转。     

拓扑荷数对拉盖尔-高斯涡旋光浑浊水下传输的影响

以高斯光作为参考光,实验研究了携带不同拓扑荷数的拉盖尔-高斯(LG)涡旋光在浑浊水下的传输行为。结果表明,水体较浑浊(衰减长度不大于0.118m)时,拓扑荷数较大的LG光束具有更强的水下传输能力;对于透射光束的能量密度分布而言,传输距离决定最佳拓扑荷数,与水体浑浊程度无关。该实验方法和测量结果对LG涡旋光在水下光通信和水下目标探测等领域的应用具有潜在的指导意义和工程价值。