多环涡旋光束的实验研究

涡旋光束的产生、传输与应用是当前光学领域热门的研究课题之一.本文提出的新型多环涡旋光束,包括双环涡旋及三环涡旋光束,它是由多束携带不同拓扑电荷数且束腰半径不同的拉盖尔-高斯涡旋光束共轴叠加而成,其光强分布为多环结构.从理论上研究了多环涡旋光束的形成与分布特征,基于共轭对称延拓Fourier计算全息方法生成了多环涡旋光束的计算全息图,并利用一个空间光调制器实验产生了与理论一致的高质量的多环涡旋光束.研究表明多环涡旋光束的各环携带不同的轨道角动量,空间分布保持相互独立.这种新型的多环涡旋光束相对于携带单一拓扑电荷数的涡旋光束,提供了更多的控制参数和更加多样化的结构分布,因此在光学镊子、光学捕获等微操控以及光通信领域具有潜在的应用潜力.     

基于光楔阵列产生光学涡旋阵列的研究

在研究光楔衍射法产生单涡旋的基础上,基于长条形光楔阵列,提出了利用光束阵列衍射产生涡旋阵列的方法.该方法要求光束阵列在平行于光楔边缘方向上的光束间距等于光束直径的整数倍.利用超精密机床采用一体化加工法加工了光楔阵列元件,验证了该方法的可行性.利用空间光调制器快速灵活调整光束阵列的优点,搭建了借助空间光调制器加载达曼光栅衍射产生所需光束阵列的实验光学系统.针对光束阵列与光楔阵列的匹配问题,研究了达曼光栅掩模图基本单元对光束阵列的调控,获得了可调结构的光束阵列.实验产生了拓扑荷一致的光学涡旋阵列,与仿真结果相一致,证明所提方法的有效性.     

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.     

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.     

多平面波干涉的光学涡旋晶格特性研究

多平面波干涉(MPWI)是产生光学涡旋晶格(OVL)的一种经典方式.通过定义波矢空间坐标系,提出了一种基于MPWI的OVL调控方法,模拟生成了四个平面波和五个平面波干涉产生的OVL,计算了其梯度力和能流分布,分析了其在微粒操纵领域中的应用.然后,通过调控其部分波矢大小和旋转波矢角度,得到了更加丰富灵活的光场分布.最终,...     

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.     

基于光学涡旋相移技术的离面位移测量

设计了基于光学涡旋相移技术的离面位移测量实验方案,实现了电子散斑干涉中相移的数字控制.该方法利用输入液晶空间光调制器中的叉形光栅产生涡旋光束,通过涡旋光束绕轴的旋转产生相移;同时,产生的涡旋光束又作为参考光与物光干涉.实验中,在物体发生离面位移前后依次输入四幅叉形光栅,产生相移步长为π/2的涡旋光束,利用CCD获得涡旋光与物光的干涉光场,从而获得离面位移场的包裹相位;再通过解包裹,获得物体离面变形的相位变化.光学涡旋相移法可应用于离面位移测量.     

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。     

离轴平顶高斯涡旋光束形成的合成光涡旋及其在自由空间中的传输

对两束拓扑电荷m_1,2=±1的平行、离轴平顶高斯涡旋光束在束腰面叠加形成的合成光涡旋及其在自由空间的传输做了研究.详细的数值计算和分析表明,合光涡旋的位置、数目和净拓扑电荷与光束的控制参数,包括相对位相,振幅比,束腰宽度比,相对离轴参数,光束阶数,以及传输距离有关,但拓扑电荷不总是守恒. 关键词： 奇点光学 合成光涡旋 平顶高斯涡旋光束 拓扑电荷     

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.     

基于SLM的计算全息三维显示视角扩展编码

提出一种利用高分辨液晶空间光调制器的高衍射级来增大再现视角的计算全息编码方法.该方法首先对被记录物波的视角超出所用高分辨液晶空间光调制器允许范围的物波信息进行预处理,使预处理后的物波视角满足抽样定理;然后再进行计算全息编码.这种计算全息图可利用高分辨液晶空间光调制器的特定高衍射级恢复再现被记录物波.文中给出了该方法的编码原理及物波函数的预处理公式,并通过设计实例和实验结果证明了该方法的可行性.     

基于光学相控阵的目标指示系统

为实现对运动目标实时指示激光束的非机械电控制,建立了基于光学相控阵的目标指示系统.首先,根据光学相控阵原理和空间光调制特性,对预设指示图添加共轭对称项,利用快速傅里叶变换计算全息法生成的全息图进行制表.其次,在图像传感器采集视频下,运用基于核函数密度估计的改进Mean-shift目标跟踪算法,获取多目标位置信息,查表并载入全息信息,完成全息图的实时更新.最后,利用空间光滤波特性,设计光电再现环节,消去冗余项并完成全息再现过程.实验发现:对8bit灰度全息图,系统每秒的指示速度均在60帧以上,各部件效能达到最大化.满足了目标指示系统稳定性、实时性、准确性等要求,理论算法和实验结果也验证了该系统的有效性.     

Optical phase-based beamformer using MZM SSB modulation combined with crystal polarization optics and a spatial light modulator

The performance of a widely tunable phase-based beamformer for phased array antennas using a new technique to cross-polarized the carrier and the sideband, in order to allow the phase control by means of a spatial light modulator, is experimentally demonstrated. The technique relies on the combination of single sideband amplitude modulation (SSB) using a Mach-Zehnder modulator (MZM) and birefringence (to cross-polarized the carrier and the sideband). The architecture has the potential of controlling multiple independent beams simultaneously. The beamformer feeds an eight elements array showing an insertion loss and a reset speed of around 12 dB and 70 ms, respectively. Far-field antenna patterns between 7.5 GHz and 8.5 GHz for nine elevation angles within a range of ±20° have been measured showing beam steering capability, amplitude distribution weighting as well as multibeam operation.     

微闪耀光栅列阵实现全混洗变换研究

在8台阶、相位深度为2π的微闪耀光栅透过率函数的基础上,根据标量衍射理论分析了波长0.632 8 μm的He-Ne激光通过闪耀光栅发生菲涅耳衍射的复振幅分布,并得到了其满足1级闪耀输出的特点.将He-Ne激光通过8通道的微闪耀光栅列阵后菲涅耳衍射光场的分布规律与全混洗变换的特点相结合,得到微闪耀光栅列阵实现全混洗变换的周期公式.实验表明该微闪耀光栅列阵能够实现全混洗变换.     

Optical vortex generation with a “fork” hologram under conditions of high-angle diffraction

Spatial characteristics of the optical-vortex (OV) beams created during the Gaussian beam diffraction by a grating with groove bifurcation are analyzed theoretically and numerically. In contrast to previous works, condition of small-angle diffraction is no longer required and the diffracted beam can be strongly deformed. This causes the intensity profile rotation and the high-order OV decomposition into a set of secondary single-charged OVs. These effects are studied quantitatively and confronted with similar properties of a Laguerre-Gaussian beam that undergoes astigmatic telescopic transformation. In contrast to the latter case, the secondary OVs do not lie on a single straight line within the beam cross section, and morphology parameters of the individual secondary OVs carried by the same beam are, in general, different. Conditions for maximum relative separation of the secondary OVs with respect to the beam transverse size are specified. The results can be used for practical generation of OV beams and OV arrays with prescribed properties.     

Experimental validation of closed-loop adaptive optics based on a self-referencing interferometer wavefront sensor and a liquid-crystal spatial light modulator

A closed-loop adaptive optics system based on a self-referencing interferometer wavefront sensor (SRI WFS) using phase-shifting point-diffraction technique and an electrically addressed phase-only liquid-crystal spatial light modulator (LC SLM) is built and validated experimentally. The wavefront aberration of incoming beam is directly measured by analyzing four frames phase-shifted interferograms captured by a single CCD camera in two camera shots, and then by loading the conjugate function onto the SLM the wavefront aberration is corrected. The proposed scheme does not rely on any complicated control algorithm or wavefront-reconstruction algorithm and can achieve high-resolution and high-accuracy correction. Closed-loop correction results of single order Zernike aberrations and a Kolmogorov turbulence phase screen show that considerable improvements in the Strehl ratio (of greater than 0.94) is achieved.     

新型电光扫描器中光波导阵列特性研究

利用有限差分光束传输法(FD-BPM)详细研究了光波导阵列电光扫描器的核心部件—光波导阵列的传输特性和辐射特性,分析了光波导阵列结构参量对其传输特性和辐射特性的影响.研究结果表明,光波导芯层厚度、光波导阵列的周期、长度和层数对光波导阵列输出面上的光场振幅、相位分布及光波导阵列输出光束主瓣的半峰值全宽度(FWHM)影响很大.通过与其它理论研究的结果进行比较指出,FD-BPM可以很方便地、更全面地描述光波导阵列的传输和辐射特性.另外,在研究光波导阵列光束扫描的基础上,根据光波导阵列电光扫描器的扫描探测要求,提出了光波导阵列结构优化设计的原则.