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.     

产生拉盖尔-高斯模的全息光栅实验研究

拉盖尔-高斯（Laguerre-Gaussian,LG）模是光子的轨道角动量本征态,它在未来的光镊、量子信息和计算等领域有潜在的应用价值。分别用两种记录介质-全息干板和喷墨透明胶片-制作了全息光栅。通过这种全息光栅在实验上产生了拓扑数从一阶到高阶的拉盖尔-高斯模,同时观察到高阶模的空间不稳定特性。并且详细讨论了光栅制作过程中的各种控制参量如曝光时间及强度对光栅衍射效率的影响。     

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     

利用光学腔产生单环状拉盖尔-高斯模

提出并从实验上实现了利用光学腔产生单环状拉盖尔-高斯模的方法。给出了方案的理论描述及实验操作技巧。通过与平面波的干涉条纹验证了螺旋状的波前相位分布。     

厄米-高斯模和拉盖尔-高斯模及它们之间的转换

介绍了厄米-高斯模和拉盖尔-高斯模的特点,基于厄米多项式与拉盖尔多项式之间的关系,给出了拉盖尔-高斯模用对角的厄米-高斯模的展开式表示,进而讨论了利用模式转换器使厄米-高斯光束转化为拉盖尔-高斯光束的方法。     

拉盖尔-高斯光束的近场矢量结构特征

直接以麦克斯韦方程组的解表征拉盖尔-高斯光束。基于麦克斯韦方程组解的矢量角谱表述和电磁光束的矢量结构理论,利用一些数学技巧导出了拉盖尔-高斯光束的TE项和TM项在近场的解析表达式。利用所导出的公式,在近场描绘了拉盖尔-高斯光束的TE项、TM项及整个光束的光强分布。并对角度依赖分别为余弦和正弦关系的拉盖尔-高斯光束的矢量结构进行了比较,结果显示两者整个光束的光斑完全相似,唯一的区别是子瓣的空间方位不同且两者的内部矢量结构完全不相同。     

拉盖尔-高斯光束的近场矢量结构特征

直接以麦克斯韦方程组的解表征拉盖尔-高斯光束。基于麦克斯韦方程组解的矢量角谱表述和电磁光束的矢量结构理论,利用一些数学技巧导出了拉盖尔-高斯光束的TE项和TM项在近场的解析表达式。利用所导出的公式,在近场描绘了拉盖尔-高斯光束的TE项、TM项及整个光束的光强分布。并对角度依赖分别为余弦和正弦关系的拉盖尔-高斯光束的矢量结构进行了比较,结果显示两者整个光束的光斑完全相似,唯一的区别是子瓣的空间方位不同且两者的内部矢量结构完全不相同。     

线偏振拉盖尔-高斯光束的远场发散特性

利用稳相法和矢量结构理论, 导出了线偏振拉盖尔-高斯光束的矢量结构项TE项和TM项在远场的解析表达式. 进而利用TE项和TM项的远场能流分布, 给出了TE项和TM项的功率占总功率比例的度量式,同时还给出了线偏振拉盖尔-高斯光束、TE项和TM项三者远场发散角的解析式以及三者远场发散角间的关系式. 所得到的公式不仅适用于傍轴情形,而且还适用于非傍轴情形. 通过数值计算, 分析了TE项和TM项在远场的功率占总功率的比例与参数f和模数间的依赖关系;还分析了拉盖尔-高斯光束、TE项和TM项的远场发散角随参数f、模数和线偏振角的变化关系.这一研究从矢量结构本性揭示了线偏振拉盖尔-高斯光束的远场发散特性, 丰富了对其传输特性的认识.     

拉盖尔-高斯光束傍轴度的变化

以拉盖尔-高斯(L-G)光束为例,详细研究了单色光束傍轴度的变化.结果表明,模指数、相对束腰宽度等光束参数的变化,通过近轴ABCD光学系统的传输,以及光阑衍射都会引起光束傍轴度的变化.但是,在自由空间中传输时,光束的傍轴度不变.对上述结果以数值计算例加以说明,并用光束傍轴度与远场发散角间的联系做了物理解释. 关键词： 傍轴度 远场发散角 拉盖尔-高斯光束     

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.     

Study on holographic grating diffraction for Laguerre--Gaussian beam generation

Laguerre-Gaussian beams, as a special model with spiral phase structure, have been intensively investigated. Holographic grating method is a convenient method of generating Laguerre-Gaussian beams and measuring their orbital angular momenta. But due to some inevitable adverse factors such as lateral displacement, angular deflection and elliptical incident profile of incident beam, the practical effectiveness should be reevaluated. This paper is devoted to the study on the influences of the abovementioned three adverse factors on the holographic grating method. The characteristics of the mode decomposition of diffractive order and the relative powers of the orbital angular momentum eigen-states are also given.     

Experimental observation of spin-independent transverse shift of the centre of gravity of a reflected Laguerre-Gaussian light beam

We report experimental observation of a transverse shift of the centre of gravity of partially reflected optical beam having non-zero orbital angular momentum. The results are in reasonable agreement with the theoretical predictions. Possibility of using such shift for measurement of orbital angular momentum state of photon is discussed.     

具有轨道角动量光束入射下的单球粒子散射研究

根据广义Mie理论,研究了具有轨道角动量拉盖尔-高斯光束（LGB）的空间传输特性以及单粒子散射特性.在单体球粒子对高斯光束散射研究的基础上,分析了在自由空间不同传输距离LGB光束的光强分布情况,在不考虑散射和波束相移关系的情况下,将LGB作为入射高斯光束,通过对波束入射时的散射衰减截面求解得到波束因子,利用矢量球谐函数对入射高斯波束进行展开,从而研究了单球粒子在在轴条件下对具轨道角动量高斯波束入射的散射问题.通过数值计算,讨论了散射强度及角分布在不同波束宽度情况下对其散射特性的影响,并与平面波的情况做了对比.结果表明,当波束束腰半径较小时,束腰半径对衰减率的影响较大,而当束腰半径远大于粒子半径时,接近于平面波的情况. 关键词： 广义Mie理论 轨道角动量 Laguerre-Gauss光束 单球粒子     

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.     

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     

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