完美涡旋光拓扑荷的原位测定

为了实现对完美涡旋光拓扑荷的快速测定,提出了一种同轴干涉测定方法,其基本思路是利用一个空间光调制器同时调制产生完美涡旋光与球面波,调制球面波的发散角使两者发生干涉,利用干涉条纹数来实现拓扑荷数的直接快速测定.理论模拟和实验测定结果表明,利用该方法得到的干涉条纹可以测定完美涡旋光的拓扑荷,包括大小与符号.进一步,利用该方法测量了完美涡旋光阵列与球面波的干涉图样,实现了对每个完美涡旋光的拓扑荷的快速测定.该原位测定方法简单、有效,对于利用完美涡旋光实现轨道角动量控制和信息编码等应用具有参考意义.     

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.     

相对论涡旋高次谐波的产生与调控理论研究

目前,具有螺旋相位波前和环状光强分布的涡旋光束已在光学领域获得了广泛应用,其产生与调控自然成了研究的热点。利用三维粒子模拟程序对双色拉盖尔高斯激光驱动固体等离子激发同时携带自旋角动量与轨道角动量的高次谐波的物理过程进行了研究,根据高次谐波产生过程中的光子能量与角动量守恒定律对其内在物理机制进行了理论分析,并讨论了对谐波阶次、偏振态（自旋角动量）以及拓扑荷数（轨道角动量）进行调控的方法。研究结果为开发高亮度、超短超快、短波长、自旋与轨道角动量可调控的涡旋光束辐射源提供了理论依据,在光学微操控、超分辨成像、光通信以及离子加速等领域具有较大的实际应用前景。     

近场拉盖尔-高斯光束传输参数的双缝干涉测量实验

拉盖尔-高斯(Laguerre-Gaussian,LG)光束具有轨道角动量,分析近场条件下LG光束通过含光阑光学系统传输的解析公式,对不同阶LG光束通过双缝时双缝间的相位差变化进行了计算。利用计算机生成叉形衍射光栅显示在空间光调制器上,基模高斯光束产生衍射,得到不同阶次LG涡旋光束,通过CCD采集LG空心光束的光斑及双缝干涉后的图样,实现对LG光束传输轨道角动量特性的实验测量。在确定光束束径下,分析了叉形衍射光栅密度、空心光束宽度半径比、双缝宽度等参数对双缝干涉条纹的影响,在距离激光器1m处的SLM上显示4mm×5mm叉形衍射光栅,光栅密度约为16lines/mm,可产生暗斑尺寸在0.5mm~0.9mm之间、宽度半径比为0.2的LG空心光束。LG光束通过双缝宽度0.2mm,双缝间距0.5mm的光栅,可以得到清晰的干涉条纹。研究结果为近场光通信中利用光学涡旋轨道角动量编码信息提供了理论依据。     

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.     

大气湍流信道中聚焦涡旋光束轨道角动量串扰特性

携带轨道角动量的涡旋光束作为传输信息的载体能有效提高信息传输效率,然而在传输过程中受大气湍流影响轨道角动量会发生串扰.基于螺旋谱分析理论,推导得到了聚焦拉盖尔高斯光束在各向异性大气湍流中传输时的螺旋谱解析表达式,并对比分析不同湍流和光束参数对聚焦与非聚焦拉盖尔高斯光束接收功率的影响,最后利用多相位屏法进行模拟验证.结果表明:随着传输距离、湍流强度、拓扑荷数的增大以及湍流内尺度、光束波长的减小,接收功率减小,轨道角动量串扰增大;接收孔径到达一定值时对轨道角动量串扰的影响非常小;聚焦光束比非聚焦光束的轨道角动量串扰要小.这些结果将对提高自由空间光通信的质量有一定意义.     

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。     

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。     

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...     

利用干涉光场的相位涡旋测量拉盖尔-高斯光束的轨道角动量

对拉盖尔-高斯光束经多圆孔衍射屏在远场平面上形成的干涉光场的相位和零值线进行了计算模拟.当入射光束的轨道角动量量子数为零时,实部零值线与虚部零值线在干涉光场中心点不相交,因而在该点上不能形成相位涡旋.当入射光束的轨道角动量量子数为+1和-1时,实部零值线与虚部零值线在干涉光场中心垂直并相交,干涉光场相应位置处的相位涡旋的符号相反.当入射光束的轨道角动量量子数为±2和±3时,有四条零值线相交于干涉光场的中心点上,并且实部零值线和虚部零值线交替分布,该交点处形成的相位涡旋的拓扑荷的值恰好与拉盖尔-高斯光束的轨道角动量量子数相等.这种结果可以用来测量涡旋光束的轨道角动量.     

双螺旋凹槽结构超表面检测偏振状态的研究

偏振态信息与轨道角动量信息是光学信息的重要载体,也是光学信息处理的重要参量,在石英基底上设计了阿基米德双螺旋结构,利用有限元法计算了带有不同轨道角动量和偏振态信息的入射光照射到上述超构表面时,入射光与超表面耦合所产生的透射光呈现不同强度分布的图样,根据该图样,可检测入射光的偏振态信息.为检测入射光的轨道角动量,还提出了...     

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.     

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。     

基于表面等离子体的角动量探测器

为了精确辨别探测光的角动量,设计了一种基于表面等离子体的角动量探测器.该探测器体积小巧,结构简单,仅通过在一块金膜层上刻蚀设计好的纳米矩孔阵列就能实现对入射光角动量的探测.当入射光照射该探测器时,首先根据表面激发产生的表面等离子体波的耦合方向辨别入射光的偏振方向;之后通过测量出射端口的光强强度与耦合方向端口光强总强度之比,定量计算出-1到+1之间轨道角动量拓扑数的精确值.该微纳结构探测器可以精确识别入射光的角动量,为光学片上系统的设计与开发提供新思路.     

利用振幅光栅生成拉盖尔-高斯光束的实验研究

拉盖尔高斯(Laguerre-Gaussian,LG)光束由于其独特的相位结构和轨道角动量特性在微粒旋转操纵和信息处理等方面得到了越来越多的重视.对利用振幅型叉状衍射光栅产生LG光束进行了理论分析,采用计算全息图的方法制作了振幅型叉状衍射光栅,实验上获得了角量子数为±1的LG光束,并对光束变换过程中影响光束特性的主要因素进行了讨论. 关键词： 信息光学 拉盖尔高斯光束 计算全息光栅 光束轨道角动量     

拉盖尔-高斯光束在界面反射和折射的质心偏移特性研究

在圆柱坐标系中研究了傍轴线偏振拉盖尔-高斯光束在两种各向同性介质界面反射和折射后光强质心的偏移. 基于菲涅耳近似和泰勒级数展开,分别得到了部分反射和全反射两种情形下,质心的横向偏移和纵向偏移与光束拓扑荷的解析关系式. 研究表明,部分反射时,反射和折射光束的横向偏移的大小与光束的拓扑荷成正比,方向由拓扑荷的符号决定;而纵向偏移仅仅大小与光束的拓扑荷有关. 全反射时,反射光束质心偏移不受拓扑荷影响. 通过数值模拟验证了解析结果的正确性,并得到了解析公式的适用条件. 拉盖尔-高斯光束的质心偏移特性可应用于测量光 关键词： 拉盖尔-高斯光束 横向偏移 纵向偏移 拓扑荷     

单粒子散射对拉盖尔-高斯光束轨道角动量的影响

通过时域有限差分法,研究了单粒子散射对拉盖尔-高斯(LG)光束轨道角动量态传输的影响,分别研究了散射粒径、粒子位置、椭球粒子半径比、倾斜角度及LG光束初始轨道角动量模式对轨道角动量态衰减的影响。研究结果表明:散射粒子半径越大,轨道角动量态的衰减越严重;散射粒子与光束相对位置的变化,也会引起能量占比的规律变化;初始轨道角动量模式、椭球粒子半径比和倾斜角度对轨道角动量态的衰减均有不同程度的影响。     

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.     

螺旋轴棱锥的光束传输特性

 分析了螺旋轴棱锥的结构和光传输特性,基于衍射积分理论研究了发散球面波和拉盖尔-高斯光束经螺旋轴棱锥后的传输过程。研究表明,发散球面波经过螺旋轴棱锥后产生贝塞尔光束,其阶数与拓扑电荷数相同,但中心光斑（空心光斑）半径随传输距离的增加而变大;拉盖尔-高斯光束入射后同样产生贝塞尔光束,但其阶数变为拉盖尔-高斯光束和螺旋轴棱锥的拓扑电荷数之和,出射光束的拓扑电荷数与阶数相等。     

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.