用四台阶相位板产生涡旋光束

涡旋光束的产生与应用是当前光学领域的研究热点. 利用傅里叶级数展开法分析了四台阶相位板的相位结构, 发现四台阶相位板可看作是由一系列不同拓扑荷数的螺旋相位板所组成, 用线偏振光直接照射相位板时, 将产生多级衍射光波, 各级衍射光均为不同拓扑荷数的涡旋光波, 由于多级衍射光波间的干涉导致光强分布偏离轴对称分布, 因而与涡旋光波有一定差距. 在此基础上, 提出了用四台阶相位板产生涡旋光束的新方案, 借助于Mach-Zehnder 干涉仪光路, 两块四台阶相位板产生的衍射光干涉叠加, 通过调节干涉仪光路的相位差, 使一部分衍射级干涉相消, 另一部分衍射级干涉相长, 相互加强, 从而把线偏振光转换为涡旋光束. 数值模拟计算了几种周期数不同的四台阶相位板衍射光强和角动量分布, 并与螺旋相位板进行比较, 证明用简单的四台阶相位板不仅能够获得与用螺旋相位板相同的涡旋光束, 而且可以用周期数较小的四台阶相位板产生具有大拓扑荷数的涡旋光束, 降低了制作相位板的难度.     

利用柱透镜调控涡旋光束的拓扑结构

提出了一种利用柱透镜调控涡旋光束拓扑结构的方法.利用计算全息法制作的叉形光栅掩模板,实验获得了具有不同拓扑荷的涡旋光束,分析了涡旋光束通过柱透镜变换后的强度和相位分布.结果表明,涡旋光束经柱透镜变换后,其拓扑荷符号将发生改变,并且高阶涡旋光束退化为多个分离的一阶涡旋光束.利用高阶激光模式的线性叠加特性以及古依相移对实验结果进行了理论解释,并通过数值模拟对实验结果进行了验证.     

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.     

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。     

线偏振相位涡旋光束的像散特性

提出采用像散系数表征涡旋光束的像散特性。利用螺旋相位板产生了线偏振相位涡旋光束,并对其光束质量及像散特性进行了实际测量。数值模拟了不同拓扑荷数的涡旋光束的传输特性及光束质量,分析了像散系数随拓扑荷数变化的规律,结果表明:当拓扑荷数为整数时,光束无像散,像散系数为零;当拓扑荷数为半奇数时,光束的像散特性明显,像散系数达到极大值;随着拓扑荷数整数部分的增加,像散系数的极大值减小。     

湍流大气中无衍射涡旋光束的展宽及相位奇点的演化

以经过圆形孔径截断的Bessel涡旋光束和Bessel-Gauss涡旋光束为例,数值模拟了近似无衍射涡旋光束在湍流大气中传输时引起的光束扩展和畸变光场中相位奇点的变化。仿真结果表明,与Bessel涡旋光束相比,Bessel-Gauss涡旋光束由大气湍流引起的束宽扩展较小,且在一定条件下其相位奇点代数和与入射涡旋光束的拓扑荷数保持一致;在远距离传输时,Bessel-Gauss涡旋光束相位奇点代数和的起伏偏差远小于Bessel涡旋光束。Bessel-Gauss涡旋光束在自由空间光通信中作为信息载体具有较大的优势。     

从平面波的线性干涉到涡旋光的角向干涉

依托中学生“英才计划”课题，以光场调控技术为选题，开展了从平面波线性干涉到涡旋光角向干涉演化过程的实验教学.从理论上模拟了涡旋光束与平面波的相干叠加，通过数值分析确认了拓扑荷数与干涉条纹的关系.实验上利用螺旋相位板制备涡旋光束，并采用马赫-曾德尔干涉法观测光强分布图.结果表明：涡旋光束与平面波的相干叠加，可以视为在线性干涉图样中移入与拓扑荷数相关的叉型条纹；而具有相反拓扑荷数的涡旋光束的角向干涉图样，则呈现与拓扑荷数相关的角向干涉条纹.     

基于双开口谐振环超表面的宽带太赫兹涡旋光束产生

提出了一种基于双开口谐振环单元结构超表面的太赫兹宽带涡旋光束产生器.该结构由金属-电介质两层构成,位于顶层的是基于双开口谐振环单元结构的超表面,底层为介质层.对单元结构阵列进行数值仿真,圆偏振的入射光可以被转换成相应的交叉偏振透射光,通过旋转表层金属谐振环,可以控制交叉偏振透射光具有相同的振幅和不同的相位.这些单元结构按照特定的规律排列,可以形成用以产生不同拓扑荷数的涡旋光束的涡旋相位板.以拓扑荷数1和2为例,设计了两种涡旋相位板,数值分析了圆偏振波垂直入射到该涡旋相位板生成交叉圆偏振涡旋光束的特性.结果表明,在1.39—1.91 THz的频率范围内产生了比较理想的不同拓扑荷数的涡旋光束,且透过率高于20%,最高可达到24%,接近单层透射式超表面的理论极限值.     

用波晶片相位板产生角动量可调的无衍射涡旋空心光束

本文提出了一种用波晶片产生无衍射涡旋空心光束的新方案. 根据晶体双折射的性质, 设计波晶片的厚度, 在一块晶体薄片上对o光和e光分别形成各自的四台阶相位板, 线偏振光入射到该相位板后, o光和e光衍射按强度叠加, 利用准伽利略望远镜系统聚焦, 得到近似无衍射涡旋空心光束. 光路简单, 调节方便. 在近轴条件下, 运用菲涅耳衍射理论和经典电磁场角动量理论, 数值模拟计算了周期数不同的两块波晶片相位板衍射光强和角动量的分布, 结果表明: 两块相位板都能在较长距离内产生近似无衍射涡旋空心光束, 光强和轨道角动量的分布与螺旋相位板产生的涡旋光束基本相同. 在衍射光路中加入相位补偿器, 调节o光和e光的相位差可以调节自旋角动量的大小, 从而可以调节总角动量密度和平均光子角动量的大小. 用这种空心光束导引冷原子或冷分子, 原子在与光子相互作用过程中可获得可调的转动力矩.     

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.     

超高斯涡旋光束在空间中的传输特性

研究了超高斯涡旋光束光强最大值、光斑半径以及环围能量半径等参数随传输距离和拓扑荷数的变化规律,并与高斯涡旋光束做了比较,结果表明:超高斯涡旋光束的光斑半径和环围能量半径随拓扑荷数及传输距离呈近似线性关系;对同一拓扑荷数和传输距离,高斯涡旋光束的能量较超高斯涡旋光束要发散;当拓扑荷数较大时,超高斯涡旋光束的光斑半径比高斯涡旋光束更大。针对光束质量研究了广义光束质量因子随传输距离和拓扑荷数的变化,结果表明传输距离足够远时,拓扑荷数较小的超高斯涡旋光束具有更好的光束质量。     

Fraunhofer diffraction of the plane wave by a multilevel (quantized) spiral phase plate

We obtain an analytical expression in the form of a finite sum of plane waves that describes the paraxial scalar Fraunhofer diffraction of a limited plane wave by a multilevel (quantized) spiral phase plate (SPP) bounded by a polygonal aperture. For several topological charges of the SPP we numerically obtain the minimal number of SPP sectors for which the RMS between the Fraunhofer diffraction patterns for multilevel and continuous SPP does not exceed 2%.     

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.     

Generation of Optical Vortex Using a Spiral Phase Plate Fabricated in Quartz by Direct Laser Writing and Inductively Coupled Plasma Etching

A simple, economical and reliable technique is proposed for fabricating a spiral phase plate （SPP） in a quartz substrate to generate optical vortex with a unit topological charge at the wavelengths of 632.8nm. The spiral phase plate is first formed in the photoresist by direct laser writing lithography and then transferred into the quartz substrate by inductively coupled plasma etching. The performance of the fabricated SPP is verified by using beam intensity distribution, which is in agreement with the theoretical calculation result. The interference measurement suggests that we have succeeded to generate optical vortex with a unit topological charge with the fabricated SPP.     

Vortex characteristics of Fraunhofer diffractions of a plane wave by a spiral phase plate limited by pseudoring polygonal apertures

We introduce a multilevel spiral phase plate (SPP) limited by a pseudoring polygonal aperture (PRPA). Such an SPP has the advantages of easier fabrication and greater suppression of the sidelobes of the diffraction field over that generated with a polygonal aperture (PA). The Fraunhofer diffraction fields generated by an SPP with a PRPA or with a PA have the same topological charge features and a similar diffraction pattern. Numerical evaluations show that the maximum bright annular-intensity difference between the diffraction patterns for the SPP with a PRPA and that of a PA does not exceed 3% under optimal design parameters.     

Adaptive correction of vortex laser beam in a closed-loop system with phase only liquid crystal spatial light modulator

We propose and demonstrate the wave front correction of a vortex laser beam by using dual phase only liquid crystal spatial light modulators (LC-SLMs) and a stochastic parallel gradient descent (SPGD) algorithm. One phase only LC-SLM is used to generate vortex laser beam by loading spiral phase screen onto the wave front of input quasi-Gaussian beam. The other phase only LC-SLM under SPGD controller based on the subzone control method adaptively compensates the wave front of vortex laser beam. Numerical simulation and experimental results show that after correction, vortex doughnut like beam is focused into a beam with airy disk pattern distribution in the far field. The adaptive corrections of vortex laser beam with different optical topological charges are studied. The results show that the optical topological charge has little influence on adaptive correction. The powers in the main lobe of far field intensity distributions of vortex laser beams with different optical topological charges are all greatly improved by adaptive correction. The technique proposed in this paper can be used in optical communication, relay mirror and atmospheric turbulence correction.     

Generation and propagation of novel donut beams by a spiral phase plate: Humbert beams

The theoretical conversion of the Bessel-modulated Gaussian beam with a quadratic radial dependence by a spiral phase plate (SPP) leads us to generate a novel donut family that we called it Humbert beam. In this paper, the different theoretical tools are developed to obtain these new waves. Some numerical calculations are performed to study the transformation and the propagation of this new family by a SPP with an integer topological charge through an ABCD optical system. The present study shows also that the Humbert beam generalized the Kummer family waves.     

平板式螺旋相位板的设计与应用

传统的螺旋相位板是一种利用沿方位角方向介质材料高度递增实现对光束相位调控产生涡旋光束的光学器件,由于这种特殊的几何结构特征使其不能通过相位板的叠加而调控出射光束所携带的角量子数.本文基于坐标变换方法将介质材料沿方位角方向折射率不变而高度递增的传统螺旋相位板变换为一种介质材料沿方位角方向高度不变而折射率递增的平板式螺旋相位板.通过理论分析与数值模拟,发现本文所设计的平板式螺旋相位板不仅与传统螺旋相位板一样能够产生高质量的涡旋光束,而且平板式螺旋相位板的高度和涡旋光束携带的角量子数可以根据介质材料的折射率选取而任意调节.为了实际应用的需要,可以通过叠加多层平板式螺旋相位板以获得不同角量子数的涡旋光束.这种平板式螺旋相位板在光传输、光通信等领域具有广阔的潜在应用价值.     

阿基米德螺旋微纳结构中的表面等离激元聚焦

研究光在微纳结构中的分布与传播, 实现在纳米范围内操纵光子, 对于微型光学芯片的设计有着重要意义. 本文利用聚焦离子束刻蚀方法, 在基底为石英玻璃的150 nm厚金膜上刻制了不同参数的阿基米德螺旋微纳狭缝结构, 通过改变入射光波长、手性、及螺旋结构手性和螺距等方式, 在理论和实验上系统地研究了阿基米德螺旋微纳结构中的表面等离激元聚焦性质. 我们发现, 除了入射激光偏振态、螺旋结构手性之外, 结构螺距与表面等离激元波长的比值也可以用来控制结构表面电场分布, 进而在结构中心形成0阶、1阶乃至更高阶符合隐失贝塞尔函数的涡旋电场. 通过相位分析, 我们对涡旋电场的成因进行了解释. 并利用有限时域差分的模拟方法计算了不同螺距时, 结构中形成的电场及相应空间相位分布. 最后利用扫描近场光学显微镜, 观测结构中不同的光场分布, 在结构中心得到了亚波长的聚焦光斑及符合不同阶贝塞尔函数的涡旋形表面等离激元聚焦环.