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.     

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     

具轨道角动量光束用于光通信编码及解码研究

无衍射光是在自由空间传播过程中一定范围内横向强度分布保持不变的光场,具有方向性好以及传输距离远等特点,某些类型的无衍射光具有轨道角动量.分析了具有轨道角动量光束以及无衍射光在空间中的传输特点,以计算全息图作为反射式相位调制的空间光调制器(SLM)实现光学变换,并通过由锥形透镜构成的模式转换器,将携带信息的拉盖尔-高斯(L-G)光束转换成为具有相同拓扑荷的高阶Bessel无衍射光束,提出了一种通过具有轨道角动量的高阶Bessel无衍射光束来进行空间光信息传输的编码解码方法,在保证激光大气通信的安全保密性的同时,提高了信息传输的密度和准确率.     

在大气湍流斜程传输中拉盖高斯光束的轨道角动量的研究

大气湍流引起大气折射率随机变化,导致空间不均匀性.拉盖高斯光束在大气湍流中传输时,空间不均匀性会使光子波函数改变,引起轨道角动量的变化.本文讨论了拉盖尔高斯光束在大气斜程传输时,湍流介质改变光子轨道角动量而形成不同的光子态.计算了螺旋谐波各分量所占光束总能量的权重,分析了拉盖高斯光束的轨道角动量的变化规律.     

拉盖尔-高斯截断级数展开法的应用

 用拉盖尔-高斯截断级数模拟了任意半径的圆孔硬边光阑窗口函数,并应用于研究高斯光束和零阶贝塞尔-高斯光束通过硬边光阑的衍射。对高斯光束和零阶贝塞尔-高斯光束的轴向和横向光强分布的计算结果表明：当积分面不是很靠近光阑时，用参数最佳化选取的拉盖尔-高斯截断级数法与用直接数值积分所得结果符合很好。     

高阶椭圆厄密–高斯光束的轨道角动量研究

从傍轴条件下光束轨道角动量的基本理论出发,根据高阶椭圆厄密–高斯光束的光场分布,运用张量方法,对高阶椭圆厄密-高斯光束轨道角动量的密度分布进行了理论分析,得到了求解该密度分布的计算公式,并在给定参量条件下作了数值模拟.进一步对光束中每个光子携带的平均轨道角动量进行了计算,发现其值随着椭圆厄密-高斯光束阶次的增大而增大,表明高阶椭圆厄密-高斯光束能够比椭圆高斯光束或拉盖尔-高斯光束提供高得多的轨道角动量.     

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.     

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.     

利用液晶空间光调制器产生高阶拉盖尔高斯光束

本文采用反射式纯相位液晶空间光调制器产生了实验需要的高阶拉盖尔高斯光束。理论上详细计算了生成高阶拉盖尔高斯(Laguerre-Gaussian)光束的最优参数选择,用MATLAB编写程序,制作产生高阶LG光束的相息图。通过CCD采集图像数据,观测了以平面波入射生成拉盖尔高斯光束的强度分布,并利用干涉法验证了产生高阶拉盖尔高斯光束的螺旋相位分布。在此基础上,对实验测得一维强度轮廓进行拟合分析并估算了实验产生LG光束的纯度。     

光束偏移对轨道角动量信息传输系统的影响

研究了拉盖尔-高斯光束轨道角动量信息传输系统在未对准时轨道角动量谱的变化.采用数学推导和数值仿真的方法,得到在任意传播距离处,接收系统轴与光轴分别出现横向偏移、角向倾斜,以及两者同时存在时光束的表达式,并分析和比较了几种情况下螺旋谱的变化特征.研究表明,两种偏移量的增加会增加螺旋谱的弥散,而弥散现象与两者偏移方向无关.在传输起点,横向偏移和角向倾斜均会引起螺旋谱的对称弥散.然而,随着传输距离的增加,横向偏移时螺旋谱的弥散程度逐渐减小,而角向倾斜时螺旋谱弥散程度逐渐增加.角向倾斜时螺旋谱始终保持对称分布,而横向偏移引起的弥散螺旋谱呈非对称分布,且经过一定距离后得到稳定的螺旋谱分布.当两者同时存在时,光束螺旋谱的弥散程度随着距离的增加逐渐增加到一个最大值,之后平缓地下降.并进一步得出了横向偏移与角向倾斜对弥散度的影响是不独立的. 关键词： 拉盖尔-高斯光束 螺旋谱 横向偏移 角向倾斜     

扭转对称光束的产生及其变换过程中的轨道角动量传递

研究了采用扭转柱面镜光学系统将厄米-高斯光束变换成为具有轨道角动量的拉盖尔-高斯扭转对称光束. 采用本征模式分解的方法分析了扭转柱面镜光学变换系统实现光束变换的原理.利用光束传输矩阵和二阶矩理论分析计算了光束经过扭转柱面透镜变换过程中的轨道角动量传递过程，证明光束与透镜系统的轨道角动量交换发生在第一个柱面透镜处，光束经过第一个柱面透镜后，具有的轨道角动量保持不变. 关键词： 轨道角动量 光束变换 扭转对称光束 轨道角动量传递     

相位片角向衍射产生拉盖尔-高斯光束的实验研究

设计了一种角向分布的相位片,利用离子束刻蚀技术加工成0和π二级的相位片.利用角向衍射理论对相位片的衍射场分析表明,衍射场为拓扑指数相反的两束拉盖尔-高斯光束的叠加场.用直径为4 mm的近平行光照射相位片,获得径向指数为零,拓扑荷相反的叠加拉盖尔-高斯光场.采用较大孔径的光束入射时,仍为拓扑荷相反的两束光的叠加,但径向指数会发生变化. 关键词： 信息光学 拉盖尔-高斯光束 相位片 离子束刻蚀     

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。     

光学涡旋横向线动量密度的传输演化特性

对于光学涡旋特别是具有复杂拓扑结构的光学涡旋,可以通过数值计算的方法获得实验上难以准确测量的角动量分布及其传输演化特性。在略去线偏振光场线动量密度中的轴向分量的情况下可获得涡旋光场的横向线动量密度,其在光束截面上的角向分量表征了涡旋角动量的分布。通过数值模拟,研究了单束拉盖尔-高斯光束和拓扑荷不同的两束拉盖尔-高斯光束同轴叠加后在自由空间中的传播过程,获得了强度分布、相位分布和横向线动量密度在瑞利长度内的分布特征。通过分析光束横截面上强度分布和线动量密度的演化特性表明,在远离束腰处光束的衍射效应不仅降低了横向线动量密度,还会增加径向分量,因而增强了径向力学特性,减弱了角向力学特性,因此在具体实施微操控时不宜在距离束腰面较远的横截面内进行。     

涡旋光束与相位全息光栅不对准时的衍射特性研究

研究了涡旋光束与相位全息光栅不对准时衍射光束的解析特性.利用理论推导的方法得出涡旋光束经相位全息光栅接收后一阶衍射光束的解析表达式.然后通过仿真分析分别得出在发生正常对准、横向偏移、角向倾斜及横向偏移和角向倾斜两者同时出现时衍射光束的质心偏移特性和中心强度变化特性.研究表明: 拉盖尔-高斯光束经相位全息光栅衍射后得到的光场表达式为合流超几何函数形式.光束与相位全息光栅间的不对准会引起衍射光束质心的偏移,而且光束质心的偏移量随入射光束偏移距离和偏离角的增加而增加,与入射光束的偏移方向和方位角无关.角向倾斜时 关键词： 拉盖尔-高斯光束 相位全息光栅 横向偏移 角向倾斜     

拉盖尔高斯涡旋光束的传输

针对拉盖尔高斯涡旋光束,推导了其传输后目标平面上光电场的解析表达式,理论研究表明,传输一段距离后, 对于拉盖尔高斯光束的光斑大小的描述,高斯光斑尺寸已经不再适用.如果采用光强最亮处的半径来表示目标平面上的光斑大小则比较方便. 除了传输中的衍射导致光束展宽以外, 横截面上光束的相位分布也发生了独特的变化. 等相位线由原来的射线转化为弧线,拓扑电荷数为正时,弧线朝顺时针方向弯曲,拓扑电荷数为负时,弧线朝逆时针方向弯曲. 关键词： 涡旋光束 传输 光斑尺寸 相位分布     

汉克-贝塞尔光束在海洋湍流信道中的螺旋相位谱分析

携带轨道角动量的汉克-贝塞尔(Hankel-Bessel,HB)光束具有无衍射和自聚焦特性,用来作为信息传输的载体有望增大信息传输容量.基于Rytov近似理论,推导得到了HB涡旋光束经过海洋水平弱湍流信道后的螺旋相位谱的解析表达式,并利用数值仿真方法研究了海洋湍流参数对轨道角动量模式探测概率的影响.结果表明,海洋湍流导致发射轨道角动量模式的探测概率下降,出现模式串扰和螺旋相位谱扩展.海洋湍流对HB涡旋光束的负面影响随着轨道角动量模式数、传输距离、温度方差耗散率的增加而增强,随湍流动能耗散率的增加而减弱.HB涡旋光束受以盐度波动驱动的海洋湍流的负面影响更大.另外,在弱湍流及几十米传输距离条件下,HB涡旋光束的传输性能要差于最佳束腰大小设置的拉盖尔-高斯涡旋光束.这些结果有望为海洋环境水下光通信链路的实现提供一定的参考价值.     

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。     

孔径光阑限制下高斯光束的传输

对高斯光束在硬边孔径限制下的衍射进行了详细的理论研究,就不同口径的圆孔限制下高斯光束在菲涅耳衍射区和夫琅禾费衍射区的分布进行了理论分析,从而得到了孔径受限高斯光束的横向以及轴向的衍射公式,进而对高斯光束在不同衍射区域内衍射光场分布形状随孔径尺寸变化时的演化规律进行了数值计算,并对小口径光阑受限的高斯光束的衍射与平行光经同尺寸光阑的衍射进行了比较。结果表明在较小口径下,两者的分布基本一致。得到的孔径光阑限制下高斯光束的传输规律为高斯光束在自由空间光通信和光学超分辨中的应用提供了理论基础。     

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。