光纤结构光场产生及应用

光纤结构光场作为光场调控的一个重要分支,逐渐引起了研究者们的广泛关注。首先基于光纤矢量模式理论,讨论了光纤中具有空间偏振/相位奇异特性的结构光场的产生机理;然后,介绍了光纤结构光场的产生方法,如长周期光纤光栅耦合法、光纤端面微结构法和轨道角动量转换法等;最后,介绍了光纤结构光场在超分辨成像、涡旋光通信、等离子针尖纳米聚焦和非线性频率转换等方面的一些典型应用。     

新型矢量光场调控:简介、进展与应用

作为光的一个基本属性,偏振态提供的自由度对光场调控具有重要作用。具有空间结构偏振态分布的矢量光场因其具有不同于传统标量光场的独特性质而被应用于诸多领域,但矢量光场的早期研究主要集中于柱对称的局域线偏振矢量光场。近年来,偏振态分布更加丰富的新型矢量光场逐渐得到关注,这些新型矢量光场的出现丰富了矢量光场的种类并提供了新的调控自由度,被应用于焦场调控、光学微加工、光学微操纵和光信息传输等领域。综述了近年来出现的新型矢量光场,包括柱坐标系中的杂化偏振矢量光场、庞加莱球相关的矢量光场、阵列矢量光场、多奇点矢量光场和其他非柱对称的矢量光场,介绍了其进展、设计方案、实验生成、性质和相关应用。     

非临界压缩光场探测的实验方案研究

压缩态光场作为一种重要的量子光源,在量子计算、量子通信、精密测量等领域有广泛的应用前景.在非临界压缩光场产生的理论预测中,阈值以上泵浦的简并光学参量振荡器(DOPO)产生横向空间分布为一阶厄米高斯模式的非临界压缩光场,具有对泵浦光功率波动鲁棒性的量子特性,因此在实验中具有重要的应用价值.然而该非临界压缩光场的横向幅角随机旋转,导致无法利用本底探针光对其压缩特性进行稳定的平衡零拍实验探测.本文提出利用DOPO同时产生的与压缩光场空间正交的明亮光场作为本底探针光的实验探测方案.理论分析表明,该方案虽然引入了真空噪声,但可以很好地抵消压缩光场空间模式随机旋转引入的探测输出动态波动,得到3 d B的稳定探测结果,且对本底探针光的相位波动具有鲁棒性.因此该探测方案对于非临界压缩光场的实验研究具有重要的实用价值.     

量子卷积码的编译码方法

对于量子卷积码理论的研究旨在保护长距离通信中的量子信息序列. 定义了量子态的多项式表示形式,根据Calderbank-Shor-Steane(CSS)型量子码的构造方法,给出了CSS型量子卷积码的一种新的编译码方法,描述了编译码网络. 该方法将码字基态变换为信息多项式与生成多项式的乘积,然后用量子态上的多项式乘法操作实现编译码网络. 最后借鉴经典卷积码的译码思想,给出了具有线性复杂度的量子Viterbi算法. 关键词： 量子信息 量子卷积码 编译码 纠错算法     

基于微纳结构及材料特性的光场调控模拟研究

利用时域有限差分算法（FDTD）对微纳结构靶的光场分布进行仿真模拟,探究微纳结构靶中的光传输机制,分析材料特性和结构参数对光传输特性和光场分布的影响。基于光场分布及演化的仿真模拟结果,对比半导体氧化铝、绝缘体二氧化硅和金属铜三种导电性不同的材料上纳米线和纳米孔阵列微纳结构靶的激光传输特性,分析光传输过程中的光场分布变化。研究结果表明,通过改变氧化铝和二氧化硅纳米孔（线）阵列结构靶中孔洞（纳米线）直径和间距等结构参数,可以实现对微纳结构靶中光传输特性和光场分布的调制,实现光场在介质材料和真空区域间的周期振荡分布,或是以一种稳定形态传输;激光在铜纳米孔阵列中传输时,透光性随孔洞半径的增加而增加。基于光场分布及演化的仿真模拟结果,对比不同材料、不同微纳结构靶的激光传输演化特性,给出物理图像及对应现象规律,根据光场调控需求,给出微纳结构靶设计。     

面向光纤通信多维复用的光场调控与传输技术

复杂光场通常是指相位、振幅和偏振等具有特殊分布的结构光场,包括以轨道角动量模式为代表的涡旋光场和以偏振态非均匀分布的矢量光场。利用复杂光场构建多维复用光纤通信系统已成为空分复用光通信技术的研究热点。介绍了通过光纤实现复杂光场产生、调控、传输的方法;简述了新型环形纤芯光纤在低复杂度、短距模式复用光纤通信系统中的应用;介绍了基于Q玻片的短距直接检测矢量模式复用光纤通信系统实验;简要分析了光纤光栅耦合模式转换法,以及利用少模光纤实现一阶和二阶轨道角动量模式的产生方案;同时介绍了利用一维和二维周期渐变相位光栅测量涡旋光场特性的技术方案。光纤损耗和模式串扰是限制基于复杂光场的模式复用光纤通信系统性能的关键因素;基于光纤产生和调控高阶复杂光场仍然具有很大的挑战性。复杂光场模式复用技术作为一种基于光纤本征模式的复用技术,与其相关的研究在未来超大容量模式复用光纤通信系统中具有重要的研究意义和潜在的应用价值。     

低密度奇偶校验码在光通信中的性能

低密度奇偶校验码(LDPC)不仅有逼近香农限的良好性能, 而且译码复杂度较低, 结构灵活, 是近年信道编码领域的研究热点, 在光通信系统中有广泛的应用前景。针对非规则Tanner图上构造的低密度奇偶校验长码具有良好的性能, 以及其在光通信系统中的应用, 构造了几种LDPC码, 并采用置信传播(BP)译码, 在加性高期白噪声(AWGN)信道、二相移相键空(BPSK)调制下进行了计算机仿真。根据规则LDPC码和非规则LDPC码的误码率(BER)和FER曲线, 对规则码和非规则LDPC码在编译码方面以及性能方面作了分析和比较, 进而对构造在光通信系统中具有实用价值的LDPC码提出了看法。通过理论分析与仿真结果表明LDPC 码型具有良好的性能, 可以节省硬件开销, 比较适用于光通信系统中, 可作为超强前向纠错码型的候选码。     

光场压缩态的产生及其在亚散粒噪声光学测量和量子信息中的应用

光场压缩态是一种非经典光场,它在超标准量子极限（SQL）的高精度光学测量、超低噪声光通信及量限通信等有着广泛应用前景,是物理学和信息科学交叉前沿研究课题,文章介绍了光场压缩态的产生及它在亚散粒噪声光学测量（sub-shot-noise=limit opical measurement）和量子信息中的重要应用。     

高效产生任意矢量光场的一种方法

提出一种高效产生任意矢量光场的方法.利用两个光束偏移器分别对两个正交线偏振分量进行分束与合束,将传统激光模式转化为任意矢量光场.所产生矢量光场的偏振态和相位分布通过相位型空间光调制器(SLM)加载相应的相位实时调控.由于光路系统中不涉及任何衍射光学元件和振幅分光元件,光场转换效率高,仅取决于SLM的反射率,并且光路系统结构紧凑、稳定,同轴性易于调节.实验结果显示,采用反射率为79%的相位型SLM产生矢量光场的转换效率可达到58%.     

优于12dB压缩态光场的产生与观察

压缩态、振幅压缩态和非经典相关态光场等均为非经典光场。压缩态体现着光场的一种新的量子特性,对它的研究有着重大的科学意义;而且因其电场正交相分量之一的量子噪声可低于散粒噪声极限(shot noise limit简称SNL)在光通信、光计算机、光学精密测量及光谱学、非线性光学中有着十分诱人的应用前景。 继非经典相关态光场产生与观察后,最近作者采用负反馈半导体激光器和平衡零拍探测器成功地产生并观察到了低于散粒噪声极限以下12dB的压缩态光场。本文所报道的产生压缩态光场的实验方案不同于业已报道的参量产生方案(如参量转换、四波混频等):首先实验利用半导体激光器作光源,经分束器将很少一部分光作为信号光束,而其主要部分光作为本振光束。没有用到光学腔,强泵浦光和非线性材料;其次,采用了信号光场量子涨落的     

微机实现光学全息编码和译码的一种新方法

本文通过对光学全息信息编码过程的分析,用计算机实现了光学全息信息编码译码过程,对数据、文字、图片等信息进行了编码和译码;方便地实现了光学全息编码保密性强的特点,免去了光学全息编译码所需的制作全息图的实验设备。     

无损耗型及损耗型分布布拉格反射镜光学特性的传输矩阵理论分析及优化(英文)

利用传输矩阵理论对无光学损耗和有光学损耗的分布布拉格反射镜(Distributed Bragg reflector,DBR)分别进行了结构分析与优化。在光场正入射条件下,对具有HL、HLH、LH及LHL结构的DBR内部光场分布情况进行了模拟分析和实验验证。结果表明:光场正入射到DBR后,在HL及HLH型DBR结构内部的光场分布最弱。当组成DBR的材料层消光系数为0.01时,HL及HLH型DBR内部产生的能流密度吸收量最小,为其他结构的10%左右,材料吸收引起的中心波长反射率降低仅为3.6%;而LH及LHL型DBR结构由于材料吸收而导致反射率降低29.2%。因此,采用高折射率材料层作为DBR结构的第一层有利于提高DBR反射率,降低光学吸收。最后,通过MOCVD外延生长了具有HL结构的吸收型Al0.12Ga0.88As/Al0.9Ga0.1As DBR结构,并对其反射特性进行了测试。     

光场显微镜实现裸眼三维实时显示

提出了一种将光场显微镜与裸眼三维显示技术相结合的方法,实现了利用光场显微镜对微观样品进行三维裸眼实时观察的技术。该技术将光场显微镜得到的子图像阵列直接投影在微透镜阵列的焦平面上,在空间一定区域内双眼可分别观看到两幅不同视角图像,使观察者产生立体视觉。该系统具有结构简单,无需相干光源,无需佩戴特殊眼镜,可多人同时观看等优点,应用前景广泛。     

Ince-Gaussian矢量光场的产生研究

复杂空间结构矢量光场是当前光场调控领域的重要研究内容。作为一类基于椭圆坐标系的本征激光场,Ince-Gaussian(IG)光场比Laguerre-Gaussian和Hermite-Gaussian两类本征光场具有更丰富的空间自由度,是构建复杂空间结构矢量光场的基本光场之一。基于正交偏振IG偶模和奇模的空间叠加理论,通过空间光调制器分离调控偶模和奇模光场,系统地研究了不同阶数下正交偏振IG模式叠加生成的不同空间结构的IG矢量光场。对获取的矢量光场进行分析,并与理论模拟的结果进行对比,验证了并联分离调控产生IG矢量光场的可行性。     

无衍射特殊光束的产生与三维表征

无衍射光束(如贝塞尔光束、艾里光束)因具有无衍射、自愈合的特性, 在很多领域都有广泛的应用. 本文提出使用纯相位型空间光调制器对光场的复振幅进行调控, 从而可以产生多种复杂模式的无衍射光束, 如强度可独立调控的多个零阶贝塞尔光束, 两个高阶贝塞尔光束干涉生成的花瓣状无衍射光束, 具有多个主瓣的加速光束等特殊的无衍射光束. 通过在待测焦场附近放置一个平面反射镜, 使其沿光轴快速扫描光场, 并由数字相机同步拍摄反射回来的一系列二维光场强度分布信息, 可实现对无衍射光束三维光场强度分布的快速测量和表征. 本实验方法和技术可以快速产生各种复杂的特殊光场并获得其精确的三维可视化重建效果, 在光学显微、光学俘获、光学微加工等领域有潜在的应用价值.     

高质量光学涡旋阵列的实验研究

将光学涡旋与计算全息技术相结合,提出一种高质量光学涡旋阵列的产生方法.从理论上研究了光学涡旋阵列的形成和分布特征,并模拟仿真产生涡旋光束阵列.基于面向目标的共轭对称延拓傅里叶计算全息方法编码生成光学涡旋阵列的全息图,利用单个反射式空间光调制器光电再现了与理论一致的光学涡旋阵列,并通过马赫-增德尔干涉法对生成的光学涡旋阵列进行验证.产生的高质量光学涡旋阵列提供了更复杂的结构分布和更多的可控参量,且实验光路易实现.研究结果在光学微操控、光通信等领域具有潜在应用价值.     

基于光场重构的空间三维显示技术

真实空间三维显示可以通过精确再现三维物体的空间光场分布来实现.依据三维景物空间光场分布特性,提出并介绍基于光场重构的真实空间三维场景显示的基本原理与方法.实验表明,利用光场重构原理,可以运用现有的光学空间光调制器构造出比全息再现更为优越的真实三维显示.     

准二维各向同性激光冷却的光场仿真

在各向同性激光冷却原子实验中,光场分布是影响冷原子分布的重要因素,可以利用真空腔的结构和激光的注入方式的不同来调控腔内的冷原子分布。本文提出了一种扁平形漫反射腔体结构,并对冷却光的不同注入方式和不同尺寸的腔体结构形成的光场分布进行了仿真。仿真结果表明,与自由空间光入射相比,激光由光纤入射能够获得更均匀的准二维分布的光场,因此可以通过调节光纤的入射角度及光纤参数,实现对光场均匀度的优化。此外,随着腔体边长的等比放大,腔内光功率密度呈负指数幂衰减。扁平形漫反射腔形状接近二维,在准二维分布的光场和特殊的扁平形腔体结构的作用下,能够获得呈准二维分布的冷原子,在量子传感及量子精密测量领域具有重要的应用前景。     

基于掩膜的光场采集与重建的研究

针对现有光场采集方式中存在的:相机阵列采集方式的硬件成本高,体积庞大;单相机分时采集光场局限采集静态光场;积分成像光场采集得到的光场空间分辨率低等问题。研究了一种基于掩膜(mask)的光场采集与重建方法。建立了光场采集模型,分析了光场在傅里叶域的成像过程;采用了随机衰减掩膜mask对光场信号进行随机编码,得到了被编码的传感器图像;离线学习了过完备光场字典,结合压缩感知理论对编码的传感器图像进行了非线性优化,重新恢复了原始的光场。     

基于混合光模式阵列的自由空间编码通信

光学涡旋的产生、传输与应用是当前光学领域的研究热点之一.光学涡旋具有轨道角动量,作为一种全新的自由度,丰富了目前光通信的方式.利用面向目标的共轭对称延拓傅里叶计算全息技术,基于空间光调制器,用单束激光直接产生混合光模式阵列进行编码通信.采用由单光涡和复合光涡构成的4种易于识别的模式组成2×2混合光模式阵列,进行灰度图像的编码传输.在接收端提取混合光模式阵列图的信息并进行解码,实现零误码的灰度图像再现.以传输一幅Lena图像为例,使用2×2混合光模式阵列进行编码通信,相对于传统单光涡编码通信,其信息容量可增加4倍.该方法光路简单易行,可扩展性强,进一步拓展使用4×4混合光模式阵列进行编码通信,信息容量提升16倍.提出的混合光模式阵列编码通信方法对于提高信息传输容量具有重要价值.