液晶几何相位技术实现光场空间结构全维度调控

几何相位平面光学元件由于高效、紧凑及易集成等优点已被广泛用于光场空间结构调控。但以q-plate为代表的此类元件只提供自旋相关的波前控制能力,振幅调控能力的缺失导致无法利用光场的全部空间维度,严重阻碍了相关领域研究的进一步深化。笔者团队在国家自然科学基金等项目资助下,以液晶人工微结构中的几何相位为物理基础设计并论证一系列新型几何相位元件,解锁了平面光学技术对近轴结构光场的全维度调控能力,为高维经典及量子信息等需要依托光场调控技术的实验研究提供了重要工具。     

非线性光场调控实现12倍相位超分辨实时干涉测量

光学干涉仪是现代精密测量技术的核心支撑,但其分辨率受到光源波长的限制,无法通过无限减小波长提高分辨率,而“相位超分辨”即是指设法解决光源波长限制的技术手段。目前“相位超分辨”研究主要通过调控N光子纠缠态的途径实现,但是由于N光子纠缠态制备与调控的极高难度和符合计数的极低效率使得该途径无法用于实际测量。针对这一瓶颈,笔者联合团队利用轨道角动量(OAM)相干态在光学超晶格中的级联参量上转换过程高效构造、提取多光子复振幅信号。实现了N=12倍的相位超分辨干涉信号的实时测量,为发展可实际应用的高倍率相位超分辨干涉测量技术提供了一条全新的物理途径。     

气溶胶粒子对光场增强的研究

本用几何光学方法对光束通过透明气溶胶粒子时，产生的光场增强现象进行了分析。导出了气溶胶粒子前向临界区域光能密度有较大增强，而在光轴上相对较小。并对液态气溶胶粒子做了实验，用波长γ＝０．４８８ｕｍ的激光束照射气溶胶粒子，在实验中观察到了光场增强点，可以预言：光学击穿等非线性效应，将言先从增强点发生。     

液晶的多维度光场调控技术研究进展

液晶作为一种介于液态与结晶态之间的功能性软材料,可以同时表现出液体流动性和晶体的各向异性,被广泛应用于图像显示、集成光电子学、光通信等领域。近年来,由于液晶理论研究的深入及其加工技术的发展,液晶在几何相位、动态可调谐等光场调控方面的优势推动了光学器件的平面化、集成化、智能化和小型化。综述了液晶在光场调控方面的最新应用进展,具体讨论了其对光波振幅、相位、偏振等多维度参数的调控特性,进而探讨了液晶在多功能光学器件和光学加密系统中的应用。     

涡旋光场相干调控及拓扑荷测量北大核心CSCD

涡旋光场是一类具有螺旋型波前的特殊结构光场,因其携带相位奇点、轨道角动量以及拥有中央暗核结构等物理特性,被广泛应用于光学微操纵、大容量光通信、超分辨成像等领域。通过对涡旋光场传统的物理维度(振幅、偏振、频率)进行调控,可以得到模式更加丰富、应用领域更广泛的新型涡旋光场。此外,涡旋光场还有一个非常重要的调控维度,即相干性。近年来,研究人员通过对涡旋光场的相干性进行调控得到了一类新型涡旋光场,即部分相干涡旋光场。相比于完全相干涡旋光场,部分相干涡旋光场在某些领域更具优势,如具有较高的抗湍流大气干扰性、更丰富的光束整形、更高的自修复能力和更强的微粒捕获能力等。本综述介绍了近年来整数阶和分数阶涡旋光场相干性调控方面的研究进展,重点对部分相干涡旋光场的理论模型、产生方法、传输特性、拓扑荷测量、应用等方面进行了详细阐述。     

垂直腔的光场调控及其应用（特邀）

垂直腔是激光器、探测器、滤波器、传感器等器件的核心结构,垂直腔的光场分布对激光器、滤波器、传感器等的性能具有重要的影响。垂直腔的结构影响垂直腔的光场分布,从而影响基于垂直腔的器件设计、制作以及其性能。近年来,人们围绕垂直腔的构建及其光场调控做了大量的研究,在理论基础以及器件应用等方面取得了显著进展。首先,介绍了传统上/下分布布拉格反射镜垂直腔的色散特性,和其光场调控的方法以及它们在激光器和滤波器等领域的应用;其次,介绍了基于一维和二维高折射率差亚波长光栅基复合腔的色散特性,和它们在新型激光器和单片集成多波长滤波器阵列等领域的应用;最后,对文章进行总结并展望了垂直腔的新应用。     

有偏压光伏光折变晶体中自加速光束交互效应的理论研究

采用分步傅里叶法理论探究了有限能量艾里光束和非线性加速光束在有偏压光伏光折变介质中的交互效应。结果表明:调节光束初始间隔和入射角度可使同相位或反相位有限能量艾里光束相互吸引或排斥。同相位时不仅产生呼吸孤子和孤子对,在适当参数条件下还可形成分叉孤子;反相位时仅有孤子对产生;同相位非线性切趾加速光束交互可以产生奇数个呼吸孤子,反相位非线性切趾加速光束交互可以产生偶数个呼吸孤子对。此外,呼吸孤子的峰值强度、呼吸周期和相互作用力的大小均可以通过外部偏压和入射角度进行有效调控。研究结果可为艾里光束交互调控提供理论基础,同时在全光信息处理和光学网络器件制备等领域具有潜在的应用前景。     

基于光场理论的场景仿真

成像系统仿真对光学遥感器的论证、设计和在轨性能预估具有重要意义。场景作为遥感的对象,其特性的表征和模拟对仿真结果有直接影响。场景特性难以全面表征,针对光学遥感及其应用最为关键的几何、光谱和辐射特性,提出一种基于光场理论的数字场景仿真方法。以包含空间坐标、方向、波长、强度的全光函数作为数字场景仿真的表征参数,建立了涵盖太阳直射、天空漫射和背景反射等因素的数字场景入射辐照度场模型,以及考虑方向反射特性的数字场景出射辐亮度场模型,并基于简单场景对模型进行分析和验证。该方法能够为成像系统仿真及新型载荷研制提供包含多种特性的数字场景模型。     

紫外波段光场与物质的高度非线性作用

自由电子激光器将为包括生物成像在内的许多应用领域提供强的、短波长的辐射。它目前的第一个试验结果已经给人们带来了惊喜。     

基于光场调控的光纤通信传输方法

为提高光纤通信传输质量,提出基于光场调控的光纤通信传输方法,先通过光场相位调制和复振幅调制,调整目标光场的相位,并获取目标光场相位差;再采用光场相位差定义光纤通信传输信号延时分布,根据数字采样获取相位差时间量,计算得到电压信号额定相位偏移,根据该偏移结果相位补偿电压前端,获取光纤通信传输信号绝对传输延时,根据绝对传输延时相异或编码时钟信号和NRZ码,设计编码器或解码器用于获取光纤通信传输时电路跳变信息,依据该信息得到光纤通信传输时机载接收端的接收状态,再结合载体端的发送状态,构建光纤通信的双向传输机制,实现光纤通信的双向传输。实验测试结果表明,光场调控后光纤通信传输内容损伤率和传输延时均低于未光场调控,且光场调控后光纤通信距离增加。     

利用光速调控技术提高干涉仪灵敏度的理论研究

近几年在光速调控领域的研究取得了很多重要进展。在利用不同的技术手段在不同的介质中实现光速调控,进一步深入开展光速调控基础研究的同时,该技术的实际应用研究也取得了一些进展。从光速调控技术出发,理论上得到应用慢光以及超光速介质的光学干涉仪的灵敏度与介质群折射率的关系,该关系表明光学干涉仪的光谱灵敏度与介质群折射率的绝对值成正比,也就是说在负群速(介质中光的群速度小于零,绝对值小于真空光速)情况下,利用超光速介质的光学干涉仪可以获得很高的光学灵敏度。     

微纳结构非线性光学及其全光调控研究进展

随着微纳光子学的提出与发展,在纳米尺度上操纵和控制光子,发展体积更小、速度更快的光子器件,实现全光集成,已成为国际研究前沿和新技术领域竞争的热点。其中以光子晶体、表面等离激元微纳结构为代表的微纳光子学研究及应用在国际上得到了广泛的重视和蓬勃发展,特别是其微纳结构的非线性光学、全光调控与器件的应用研究。本文主要综述了微纳结构增强的光学非线性及其非线性全光调控研究进展。     

微波非线性光学效应及应用

介绍了微波非线性光学效应产生的可能性及产生非线性效应的数理模型。对微波非线性光学效应在理论研究和工程方面应用的可能性进行了讨论。     

矢量光场激发三阶非线性光学效应的研究进展（特邀）

具有偏振结构分布的强激光与非线性光学材料相互作用导致了多种新颖的非线性光学效应,反映了材料的非线性光学特性,调制了光场的传播行为。笔者概述了矢量光场激发三阶非线性光学效应的研究进展。首先简要介绍了任意偏振光激发三阶非线性光学效应的理论,如非线性薛定谔方程、光束传播方程、各向同性和各向异性三阶非线性光学系数。也简要介绍了表征三阶非线性光学系数的 Z-扫描技术。在弱聚焦条件下,给出了诸如径向偏振光、杂化偏振光和柠檬型庞加莱光束这三种类型矢量光场的焦场表达式。其次,重点回顾了多种矢量光场激发的各向同性/各向异性三阶非线性光学效应,包括径向偏振光激发的各向异性非线性光学效应、杂化偏振光激发的各向同性和各向异性非线性光学效应、柠檬型庞加莱光束激发的各向同性/各向异性非线性光学效应。最后,简要讨论了矢量光场在非线性偏振旋转、光束整形、可控光场塌缩与成丝和光限幅方面的应用。     

完美涡旋光场的研究进展北大核心CSCD

完美涡旋光场具有亮环半径不随拓扑荷值改变而改变的优点,在微粒操纵及量子通信等领域具有重要的应用价值,已成为近年来光场调控领域的研究热点。介绍了产生完美涡旋光场的三种典型方法,综述了完美涡旋光场的调控技术及表征方法,并对其应用进行了总结。     

基于超表面的阵列光场纵向维度信息编解码

随着大数据时代的到来,空间光通信已被广泛应用于各种通信系统中,但随之而来的是容量瓶颈的挑战。基于光场频率、时间、偏振、横向空间模式等维度调控的信息编解码方法在解决容量问题方面展现了优异性能,但光场的纵向维度却未被应用于信息编解码。针对此问题,本文提出了一种基于电介质超表面的光场纵向维度信息编解码新方法,基于四原子结构的几何相位和传输相位联合调控,实现了透射场自旋相关的复振幅调控。同时,利用光学冻结波原理产生了轨道角动量模式叠加态的纵向可控变化,并验证了光场模态的纵向调控能够以指数级提升信道中的模态容量。纵向维度作为一个全新的编码自由度,有望进一步提高自由空间光通信性能。     

基于S波片和双延迟器的矢量光场偏振调控方法

基于S波片和双延迟器的偏振特性,提出了一种矢量光场的生成及偏振调控方法,该方法能够将标量高斯光束转换为偏振态分布可调谐的矢量光束。结合Stokes-Mueller矩阵算法,建立了矢量光场偏振调控的数学模型,并仿真计算出标量高斯光束经过S波片和双延迟器（包括双1/4波片和双1/2波片两种情况）后的偏振态空间分布。讨论了双延迟器相对旋转时光场偏振分布的演化规律及机理,实验结果与数值仿真结果相互吻合,表明该方法可以实现对标量相干光场的复杂偏振调控,验证了理论分析的正确性和该方法的可行性。