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     

Composite optical vortices in two noncollinear cosh-Gaussian vortex beams and their propagation properties in free space

The composite optical vortices (OVs) formed by superimposing two parallel, noncollinear cosh-Gaussian (ChG) vortex beams at the waist plane and their propagation in free space are studied. The dependence of the number, position and net topological charge of composite OVs on the control parameter, such as the relative phase, amplitude ratio, waist-width ratio, relative off-axis distance and decentered parameter, and on the propagation distance is illustrated numerically. A comparison with the previous work is also made.     

Composite coherence vortices and their propagation in free space

Taking Gaussian Schell-model (GSM) background vortex beams as an example of partially coherent vortex beams, the composite coherence vortices resulting from the superposition of the cross-spectral density function of two parallel, noncollinear partially coherent vortex beams and their propagation in free space are studied, and the main attention is paid to the effect of relative off-axis distance, coherence parameter and propagation distance on the composite coherence vortices. The number and location of composite coherence vortices vary by changing the relative off-axis distance, coherence parameter or propagation distance. In the coherent limit, the composite coherence vortex becomes the composite optical vortex.     

部分相干涡旋光束叠加场中的合成相干涡旋及其动态传输

对由两束平行、离轴部分相干平顶涡旋光束叠加形成的合成相干涡旋做了详细研究.结果表明:合成相干涡旋的数目和位置与光束阶数、相对离轴距离、相干参数以及相对传输距离有关.在部分相干范畴内“隐藏”的合成相干涡旋对应于完全相干范畴中的合成光涡旋.并且证明在相干极限下合成相干涡旋就演化为合成光涡旋. 关键词： 相关奇点光学 合成相干涡旋 部分相干平顶光束 离轴合成     

利用全息法在偶氮聚合物薄膜中记录涡旋光场

利用全息技术在偶氮聚合物薄膜中记录了拓扑荷数q=–1,1,2,4的涡旋光场,并将记录的原始叉形光栅与计算全息光栅进行对比,对不同拓扑荷数涡旋光的记录速率和偶氮材料的可重复擦写性能进行了测试;记录完成后,将复现涡旋光与高斯光束干涉,并与原始涡旋光和原始叉形光栅对比,分析了记录质量.实验结果表明:高阶涡旋光场的全息叉形光栅...     

带有相反拓扑指数的光学涡流间相互作用研究

对线性介质中光学涡流间相互作用做了数值分析，发现当拓扑指数相反时，含有涡流对的光场产生了类似于对称破缺的不稳定性，螺旋位错在传播过程中演变为一种新的位错——边位错，作用过程中拓扑指数守恒. 关键词： 光学涡流 拓扑指数 位错     

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.     

光波场中多边位错向螺旋位错的转化

实验研究及理论分析了光波场中边位错向螺旋位错的转化行为. 设计了围绕中心沿角向周期排列的多边位错相位结构,实验上通过计算全息图法研究了其对高斯光束的调制作用以及调制光束的传播特性. 结果表明,随着调制光束逐渐演化为类涡旋光束,多边位错结构可以转化为螺旋位错,且位错结构的总相位变化守恒. 结合光场的线动量密度图详细分析了该演化过程,并进一步讨论了多边位错结构中的相位突变值对螺旋位错转化的影响,给出了决定螺旋位错拓扑荷值的定量关系式. 关键词： 边位错 螺旋位错 涡旋光束 拓扑荷     

Effect of Comatic Aberration on the Propagation Characteristics of Laguerre--Gaussian Beams

Seidel comatic aberration is an important cause of deformation for a Laguerre--Gaussian (LG) beam. In addition, mono-axial comatic aberration, whose phase modulation depends only on one transverse coordinate, is also an important cause of beam deformation. Deformation of an LG beam by such aberrations is analyzed through numerical simulation based on the angular spectrum method. It is also shown that for holographically generated LG beams quadratic spatial variation of grating pitch can produce seidel and mono-axial comatic aberrations. An example of an experimentally generated LG beam with mono-axial comatic aberration is reported.     

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.     

Decentered twisted Gaussian Schell-model beams and their propagation through a misaligned first-order optical system

The propagation properties of decentered twisted Gaussian Schell-model (DTGSM) beams passing through a misaligned first-order optical system are studied. The explicit expressions for the cross-spectral density function and Wigner distribution function of the output beam are derived, which retain their form unchanged. It is shown that the DTGSM beams preserve their closed property. The second-order moments matrix and the Wigner distribution function evolve with the usual laws, whereas the first-order moments matrix varies, as if a ray passes through such system. The propagation of DTGSM beams through an aligned first-order optical system is treated as the limiting case that corresponds to the vanishing misalignment parameters.     

利用非传统螺旋相位调控高阶涡旋光束的拓扑结构

本文提出一种利用非传统螺旋相位调控高阶涡旋光束拓扑结构的方法.数值模拟并实验研究了具有不均匀旋转梯度的非传统螺旋相位对高阶涡旋光束的调控行为.结果表明, 携带有非传统螺旋相位的高阶涡旋光束在传输过程中, 将退化为沿一条直线排列的多个一阶相位奇点, 并且, 这种非传统螺旋相位对高阶涡旋光束的调控特性, 可抑制相位噪声等扰动所引起的拓扑结构随机退化现象.本文的结论为涡旋光束拓扑结构的调控提供了一种可行的新途径, 在基于涡旋光束的光学通信、光学操控等方面具有潜在应用.     

离轴拉盖尔-高斯涡旋光束传输中的光斑演变

在产生涡旋光束过程中, 固体激光器所输出的光束中心 很难与螺旋相位板的中心完全对准, 实际出射的光束为离轴涡旋光束. 在衍射理论的基础上, 对离轴涡旋光束的传输进行了研究, 推导了离轴涡旋光束传输一段距离后电场和光强的解析表达式.研究表明, 与理想的涡旋光束不同, 离轴涡旋光束具有非对称性的光强分布, 在传输过程中光斑除了展宽外, 涡旋暗核还会发生移动. 拓扑电荷数的大小只影响到光束的展宽, 拓扑电荷数为正时, 暗核沿着逆时针切线方向移动; 拓扑电荷数为负时, 暗核沿着顺时针的切线方向移动, 该结果对长距离探测涡旋光束的对准问题起到指导作用.     

部分相干涡旋光束传输中的光斑分析

在近轴光束近似条件下,采用交叉谱密度传输公式推导了 部分相干涡旋光束传输一段距离后观测平面上交叉谱密度矩阵元的解析表达式, 在此基础上对观测平面上的光强分布进行了分析.研究表明, 和完全相干涡旋光束不同,部分相干涡旋光束传输后光斑中心点的光强会逐渐凸现出来, 随着传输距离的增加,观测平面上的光强会逐渐演变为类似高斯型分布的特性. 这种演变规律与源平面上光源的拓扑电荷数和相干长度有关, 在其他参数不变的情况下,拓扑电荷数越小,相干长度越短, 演变为高斯型光斑的速度越快.最后针对一阶部分相干高斯涡旋光束, 通过观测平面上光强极值研究,对光斑随传输距离演变的过程进行了详细的分析, 在理论上对这种演变规律给出了严格的证明.     

部分相干双曲正弦-Gauss涡旋光束叠加形成的合成相干涡旋在非 Kolmogorov 大气湍流中的动态演化

一些实验表明, 实际大气会偏离理想Kolmogorov模型. 本文基于广义Huygens-Fresnel原理和Toselli等提出的非Kolmogorov湍流模型, 推导出部分相干双曲正弦-Gauss (HSG)涡旋光束通过非Kolmogorov大气湍流的解析传输公式, 并用以对两束部分相干HSG涡旋光束相干叠加和非相干叠加形成的合成相干涡旋在非Kolmogorov大气湍流中的动态演化进行了研究. 结果表明, 合成光束平均光强的演化过程与非Kolmogorov湍流的广义指数α, 源平面上叠加涡旋光束拓扑电荷的符号, 以及叠加方式有关. 合成相干涡旋在非Kolmogorov大气湍流中传输时会出现移动、产生和湮灭. 广义指数α, 拓扑电荷符号, 以及叠加方式都会影响其演化行为. 最后, 将本文所得结果与相关文献做了比较.     

高斯涡旋光束的傍轴度

按单色光束傍轴度的定义,对高斯涡旋光束的傍轴度进行了研究。使用角谱表示法推导出高斯涡旋光束傍轴度的解析公式,用此研究了傍轴度和高斯涡旋光束参数之间的关系。结果表明,随背景高斯光束束腰宽度和光涡旋离轴参数的增加及随光涡旋拓扑电荷的减少,高斯涡旋光束的傍轴度增加。对所得结果用傍轴度与远场发散角间的关系做了物理解释。     

Orbital angular momentum density and spiral spectra of Lorentz–Gauss vortex beams passing through a single slit

Based on the Hermite–Gaussian expansion of the Lorentz distribution and the complex Gaussian expansion of the aperture function, an analytical expression of the Lorentz–Gauss vortex beam with one topological charge passing through a single slit is derived. By using the obtained analytical expressions, the properties of the Lorentz–Gauss vortex beam passing through a single slit are numerically demonstrated. According to the intensity distribution or the phase distribution of the Lorentz–Gauss vortex beam, one can judge whether the topological charge is positive or negative. The effects of the topological charge and three beam parameters on the orbital angular momentum density as well as the spiral spectra are systematically investigated respectively. The optimal choice for measuring the topological charge of the diffracted Lorentz–Gauss vortex beam is to make the single slit width wider than the waist of the Gaussian part.     

高斯涡旋光束的傍轴度

按单色光束傍轴度的定义,对高斯涡旋光束的傍轴度进行了研究.使用角谱表示法推导出高斯涡旋光束傍轴度的解析公式,用此研究了傍轴度和高斯涡旋光束参数之间的关系.结果表明,随背景高斯光束束腰宽度和光涡旋离轴参数的增加及随光涡旋拓扑电荷的减少,高斯涡旋光束的傍轴度增加.对所得结果用傍轴度与远场发散角间的关系做了物理解释.     

非傍轴贝塞尔-高斯光束在自由空间的传输

从瑞利-索末菲衍射积分出发,推导出任意阶非傍轴贝塞尔-高斯光束在自由空间传输的解析表达式.非傍轴贝塞尔光束和非傍轴高斯光束等的传输方程都可以作为本文一般结果的特例而得出.物理分析和数值计算表明,当高斯和贝塞尔部分的横向尺度与波长相比拟或小于波长时,应当用非傍轴方法处理.     

光涡旋偶极子经半屏衍射后的演化

推导出寄居于高斯光束中的光涡旋偶极子经过半屏衍射后的解析传输公式.利用所得公式对光涡旋偶极子经半屏衍射后的演化做了详细研究.结果表明,与自由空间中光涡旋偶极子演化相比较,衍射场中会出现多对光涡旋偶极子,湮没方式与离轴量有关.随离轴参数的变化,偶极子出现不同的演化特性,但在演化过程中,拓扑电荷守恒. 关键词： 光涡旋偶极子 半屏衍射 拓扑电荷