利用具有轨道角动量的光束实现微粒的旋转

采用扭转柱面镜光学系统将半导体激光抽运固体激光器产生的厄米高斯光束变换成为具有轨道角动量的扭转对称光束.利用该光束具有的轨道角动量特性研制成功了“光学扳手”， 利用“光学扳手”实现了对微米量级微粒的俘获和旋转. 关键词： 轨道角动量 扭转对称光束 光学扳手 光束变换     

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     

复杂像散椭圆光束的轨道角动量的实验研究

提出一种直接测量光束的轨道角动量的方法，其原理是把具有轨道角动量的光束照射到一个金属靶上，使其在光束的角动量作用下发生转动. 通过测量靶转动的角度来计算光束的角动量值. 对几种不同参数的光束的轨道角动量进行了测量，获得了轨道角动量与光束参数之间的关系，实验结果与理论分析较好地符合. 关键词： 复杂像散椭圆光束 轨道角动量 测量     

利用光束的轨道角动量实现高密度数据存储的机理研究

光束的轨道角动量本征态可以构建高维Hilbert空间，将之应用于数据存储中，可以实现比传统方法更高的数据存储密度.提出了一种用光束轨道角动量实现高密度数据存储的方法，对存储区域进行相位编码，通过探测透射光束轨道角动量谱(螺旋谱)的特征来区分由相位编码形成的不同数据态.四台阶结构相位编码可以实现57个不同的数据态，有望将数据密度提高为传统方法的近6倍. 关键词： 光束轨道角动量 光学存储 高密度存储     

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.     

利用衍射光栅探测涡旋光束轨道角动量态的研究进展

涡旋光束是一种携带有轨道角动量的光束,在光学扳手、光通信、旋转探测等领域具有重要的应用价值.由于轨道角动量态是涡旋光束的特征值,因此如何探测光束的轨道角动量态分布至关重要.国内外学者已经提出了多种探测涡旋光束的技术,如干涉法、衍射光栅法、多普勒分析法、超材料表面法等.这些技术中,衍射光栅测量法较为简单易行,应用较广.本综述主要介绍了几种当前利用衍射光栅测量涡旋光束轨道角动量态的主流方法,同时也介绍了如何利用衍射光栅来测量光束的轨道角动量谱.     

涡旋光束轨道角动量检测及其性能改善

利用光栅检测涡旋光束轨道角动量(OAM)并进行性能改善的方法容易实现且能降低通信系统成本。将涡旋光束照射到周期渐变光栅和环形光栅的合适位置,观察衍射图中光斑的分布规律,并对入射涡旋光束进行检测。实验结果表明,通过判断光斑中暗条纹的数量和朝向便可确定入射涡旋光束的拓扑荷的大小和正负,利用相位校正技术或光束复制技术可以使衍射结果中的条纹更加清晰,使用这两种技术后可将检测到的拓扑荷数提高至30。该研究为OAM复用通信中的解复用和涡旋光的产生提供了依据。     

基于改进Xception实现涡旋光束轨道角动量识别

当光束在海洋中传输时,湍流的存在会严重影响光束的质量,导致接收端光场产生扭曲和退化现象。为解决该问题,提出一种基于改进深度可分离网络（IXception）的方法,用于实现通过海洋湍流传输的涡旋光束轨道角动量模态识别。采用分步相位屏的思想,基于功率谱反演法仿真涡旋光束在海洋中的传输过程,并建立入射光场发生的退化、扭曲的散斑场数据集,用数据集来训练IXception识别散斑场中涡旋光束的轨道角动量。IXception延用Xception架构思想,结合了残差结构和倒置残差结构,能够提取高度空间深度特征,减少网络结构参数的冗余,增强泛化能力。研究结果表明,IXception在20 m和80 m湍流中对扭曲光场轨道角动量的识别率达到了99.20%与97.9%。随着传输距离的增加,IXception的识别率会略有降低,但与Xception模型相比,IXception识别性能更好。     

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.     

螺旋相位光束轨道角动量态测量的实验研究

对螺旋光束的轨道角动量态的测量技术进行了实验研究.建立了一套利用Mach-Zehnder干涉仪测量光束轨道角动量态的系统,对利用空间光调制器生成的携带不同轨道角动量的光束进行了测量,通过Mach-Zehnder干涉仪分离出了具有不同角量子数的螺旋光束. 关键词： 轨道角动量 空间光调制器 Mach-Zehnder干涉仪     

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.     

单光子轨道角动量的传输特性研究

描述了高阶椭圆厄米-高斯光束及其单光子平均轨道角动量,并分析了一些与其单光子轨道角动量变化的有关情况,通过计算机仿真简要进行了说明.最后分析了单光子轨道角动量在空间某范围的概率分布及其变化情况.研究结果表明,高阶椭圆厄米-高斯光束与物质相互作用时,其单光子平均轨道角动量的变化幅度随接触物质材料的不同而异.     

Orbital angular momentum crosstalk of single photons propagation in a slant non-Kolmogorov turbulence channel

We analyze the orbital angular momentum (OAM) crosstalk of single photons propagation through low-order atmospheric turbulence. The probability models of the orbital angular momentum crosstalk for single photons propagation in the channel with the non-Kolmogorov turbulence tilt, coma, and astigmatism and defocus aberration have been established. It is found, for α = 11/3, that the turbulent tilt is the dominant aberration which causes the orbital angular momentum crosstalk, the coma is second and the astigmatism is third, but the defocus aberration has no impact on OAM. The results also indicate that the regularities of orbital angular momentum crosstalk caused by the tilt, the coma and the astigmatism are almost the same, respectively. The crosstalk probability of the orbital angular momentum increases as the azimuth mode index p of Laguerre-Gaussian (LG) beam increases, the turbulent strength C_n² enhances, the orbital angular momentum quantum number rises, the diameter of circular sampling aperture D and the channel zenith angle θ increase.     

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.     

部分相干光的轨道角动量及其谱的分析研究

针对光束轨道角动量的研究主要集中在相干光束的研究，而对于部分空间相干光束的轨道角动量研究较少，依据部分相干光的Wigner分布函数推导出部分相干光的轨道角动量表达式，分析了部分相干光的轨道角动量谱特性。采用Mercer展开法得到了轨道角动量谱，计算了给定部分相干光束的轨道角动量谱，讨论了部分相干性对轨道角动量谱的影响。研究结果表明：部分相干光和相干光具有相同的轨道角动量表达式，部分相干光的轨道角动量谱随着相干性的变差而愈发弥散，携带轨道角动量的部分相干光束的轨道角动量谱比不携带轨道角动量的部分相干光束的轨道角动量谱更容易受相干度的影响。