矢量涡旋光束的模式连续可调生成技术

矢量涡旋光束是一种新型的结构光束,具有横截面各向异性分布的偏振态,同时携带有轨道角动量。矢量涡旋光束的这些独特性质使得其在光通信、光镊、激光加工等领域具有重要的应用价值。对于不同的应用,所需的矢量涡旋光束的偏振态、相位分布不同,因此偏振、相位模式连续可调的矢量涡旋光束的生成系统是矢量涡旋光束应用的重要基础。报道了本课题组在矢量涡旋光束生成方面的工作,主要介绍了腔外模式连续可调的矢量涡旋光束的生成方法,以及矢量涡旋光束阵列的生成方法。     

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.     

矢量涡旋光束的生成与模式识别方法

与宏观物体类似,光子等微观粒子也可携带角动量。光子的角动量包括自旋角动量和轨道角动量,两种角动量的共同作用产生了一种新型结构光束,即矢量涡旋光束。矢量涡旋光束具有各向异性的波面和偏振分布,提供了多种光场自由度,在量子技术、光通信、激光探测、激光加工、高分辨成像、光镊等前沿领域展现了巨大的应用潜力,吸引了国内外学者的广泛关注。高效地生成矢量涡旋光束,以及高精度地识别矢量涡旋光束的模式分布,是其应用的关键。本文简要回顾了国内外学者在矢量涡旋光束的生成与模式识别方面的研究工作,同时系统梳理了本文作者过去十年在该方面的研究进展,重点介绍了其相关代表性成果。     

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.     

偏振方向对涡旋光束产生的影响

在利用液晶空间光调制器(LCSLM)产生涡旋光束时,入射光的偏振方向对涡旋的产生有着明显的影响。从液晶空间光调制器的工作原理出发,研究了不同偏振方向的线偏振光在通过LCSLM的相位调制后,涡旋光束产生的变化。通过模拟仿真与实验结果的比较,发现随着线偏振光的偏振方向与液晶分子光轴夹角的增大,液晶空间光调制器的调制误差变大,所产生的涡旋光束的质量变差。当夹角大于4.725°时,涡旋光束的质量明显变差。而随着夹角继续增大,LCSLM对入射光的调制作用减弱,无法产生涡旋光束。     

石墨烯表面涡旋光束的局域动力学特性分析

结合角谱展开方法和矢量势方法,推导了拉盖尔高斯涡旋光束在石墨烯表面反射后的电磁场分量显式表达式。分析了光束的入射角和拓扑荷数,以及石墨烯-衬底系统的费米能量和磁场对涡旋光束在石墨烯表面反射后局域动力学特性的影响。数值结果表明,石墨烯表面反射涡旋光束的能量、动量、自旋/轨道角动量密度分布随着光束入射角和拓扑荷数的变化发生显著变化。同时,改变石墨烯-衬底系统的费米能量和磁场可以有效调节反射涡旋光束的局域动力学特性。为基于涡旋光束局域动力学特性对石墨烯的表征以及基于石墨烯对涡旋光束的调控奠定了理论基础。     

对称艾里涡旋光束的传播特性

提出了一种对称艾里涡旋光束.在对称立方相位的基础上引入螺旋相位因子形成新的相位图,加载该相位的高斯光束经傅里叶变换后产生对称艾里涡旋光束.研究表明:对称艾里涡旋光束出现自聚焦现象,且由于轴上涡旋的存在,其中心呈现中空现象,涡旋结构携带的轨道角动量使光束在初始平面处发生旋转,拓扑荷数越大,中空结构越大,旋转角度也越大,而拓扑荷数的正负仅改变光束的旋向.理论分析表明,离轴涡旋在初始平面处,因与光轴中心距离较远,并不会影响对称艾里光束主瓣的能量,即中心并无光强为零区域,但随着传播距离的增加,离轴涡旋逐渐出现在对称艾里光束其中的一个主瓣上.此外,对称艾里光束还可以加载多个离轴涡旋,能同时无损伤地捕获多个微粒.该光束不仅具有自聚焦特性,并且其中心呈中空结构,同时还携带轨道角动量,在光学微操纵与生物医学等方面有潜在应用.     

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。     

高斯涡旋光束在大气湍流传输中的特性研究

为了研究大气湍流对高斯涡旋光束传递信息的影响,理论分析了经过大气湍流的高斯涡旋光束轨道角动量(OAM)模式的径向平均功率和归一化平均功率分布、固有模式指数、初始光束半径和湍流强度;采用纯相位扰动逼近的有效性,数值模拟高斯涡旋光束在传输中的OAM模式径向平均功率分布的变化。建立传输模型并进行外场激光大气传输实验,对比分析了模拟和实测的OAM归一化平均功率分布,结果表明在弱湍流条件下,OAM模式的径向平均功率随着接收器孔径尺寸的增加而变化,逐渐趋于稳定值。对于一般常用的接收孔径,在强湍流或较小的初始光束半径条件下对OAM模式干扰十分严重。验证了用数值方法模拟OAM在湍流介质中的模式变化过程的可靠性。     

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.     

Beam-spreading and topological charge of vortex beams propagating in a turbulent atmosphere

We theoretically and experimentally investigate the beam-spreading of a vortex beam propagating in a turbulent atmosphere. It is found that the vortex beam is less affected by turbulence than a non-vortex one. The topological charge of the vortex beam on propagation has also been investigated experimentally. It is shown that the topological charge of vortex beam will exhibit fluctuating behavior as the beam propagates through a turbulent atmosphere.     

Fast generation of controllable equal-intensity four beams based on isosceles triangle multilevel phase grating realized by liquid crystal spatial light modulator

Liquid crystal spatial light modulator (LCSLM) realizing equal-intensity multiple beams often has some features, i.e., phase valley between two adjacent pixels, flyback region when phase decreases immediately from 2π to 0, and inevitable backplane curvature, which are different from those of most conventional diffractive optical elements (DOEs), such as static DOEs. For optimal intensity uniformity, equal-intensity multi-beam generation must be considered for these artifacts. We present a tunable-grating method in which the intensity uniformity can be improved by considering the LCSLM artifacts. For instance, tuning phase modulation depth of the grating, called isosceles triangle multilevel phase grating (ITMPG), can be used not only to improve the intensity uniformity, but also to fast steer four beams with narrow beamwidths, determined by the same effective aperture of ITMPG. Improved intensity uniformity and high relative diffraction efficiency are demonstrated through experiments with phase-only LCSLM.     

空心高斯涡旋光束的远场特性

基于角谱法和稳相法,推导出了空心高斯涡旋光束的TE波和TM波在自由空间远场传输和能流密度的解析表达式,研究了其相位奇点和能流密度分布。结果表明,空心高斯涡旋光束的远场特性主要跟控制参数有关。改变光束中的涡旋离轴量,光涡旋和能流密度黑核会发生移动。圆刃型位错线的半径和能流密度暗环位置跟束腰宽度有关,而能流密度的对称性主要受涡旋离轴量的影响。     

自加速类贝塞尔-厄米-高斯光束的理论和实验研究

空间相位调制一直是设计新型自加速光束的重要方法.参照类贝塞尔光束产生的思路,从理论上提出了一种新型的自加速无衍射类贝塞尔-厄米-高斯光束,并从数值模拟和实验两个方面研究此光束沿不同轨道的演化.理论上通过对厄米-高斯光束进行相位调制,产生了不同模式的自加速类贝塞尔-厄米-高斯光束.采用分步傅里叶算法模拟了(0,1),(1,0),(1,1)和(1,2)阶类贝塞尔-厄米-高斯光束沿预设轨道的传输过程.采用计算全息和空间光调制技术在实验中观察了类贝塞尔-厄米-高斯光束沿预设轨道的传输,例如抛物、双曲、双曲正割和三维轨道.实验观察与理论结果符合得很好.实验验证了不同阶类贝塞尔-厄米-高斯光束的奇特光斑结构,验证了光束的非衍射特性及传输轨道的可控性,且理论模拟验证了光束的自修复特性.作为此前研究的类贝塞尔光束的一般形式,本文所得到的光束可用于构造出更加新型实用的光束.     

基于圆微带天线阵的射频涡旋电磁波的产生

射频涡旋电磁波等相位面呈涡旋状,是一种携有新自由度-轨道角动量的电磁波。在轨道角动量模式理论分析的基础上,提出了在中心频率6 GHz处产生携有轨道角动量的涡旋电磁波的一种圆微带天线阵新结构,设计了以双层圆形微带天线为阵元组成的圆形阵列天线,通过控制馈源的相位差,得到模式量子数为0,1,2, 3, 4的轨道角动量。仿真结果表明：携轨道角动量的电磁波矢量电场图具有涡旋波阵面的特性,合适的阵列半径和馈线排列分布将产生携有良好轨道角动量特性的涡旋电磁波,而不当的阵列半径或馈线排列分布将出现能量的分散或者相互耦合的问题。     

Generalized high-order twisted partially coherent beams and their propagation characteristics

Twist phase is a nontrivial statistical phase that only exists in partially coherent fields, which makes the beam carry orbital angular momentum (OAM). In this paper, we introduce a new kind of partially coherent beams carrying high-order twist phase, named generalized high-order twisted partially coherent beams (GHTPCBs). The propagation dynamics such as the spectral density and OAM flux density propagating in free space are investigated numerically with the help of mode superposition and fast Fourier transform (FFT) algorithm. Our results show that the GHTPCBs are capable of self-focusing, and the beam spot during propagation exhibits teardrop-like or the diamond-like shape in some certain cases. Moreover, the influences of the twist order and the twist factor on the OAM flux density during propagation are also illustrated in detail. Finally, we experimentally synthesize the GHTPCBs with controllable twist phase by means of pseudo-mode superposition and measure their spectral density during propagation. The experimental results agree well with the theoretical predictions. Our studies may find applications in nonlinear optics and particle trapping.     

Experimental verification on tightly focused radially polarized vortex beams

The theoretical and experimental results of tightly focused radially polarized vortex beams are demonstrated. An auto-focus technology is introduced into the measurement system in order to enhance the measurement precision, and the radially polarized vortex beams are generated by a liquid-crystal polarization converter and a vortex phase plate. The focused fields of radially polarized vortex beams with different topological charges at numerical apertures （NAs） of 0.65 and 0.85 are measured respectively, and the results indicate that the total intensity distribution at focus is dependent not only on the NA of the focusing objective lens and polarization pattern of the beam but also on the topological charge l of the beam. Some unique focusing properties of radially polarized vortex beams with fractional topological charges are presented based on numerical calculations. The experimental verification paves the way for some practical applications of radially polarized vortex beams, such as in optical trapping, near-field microscopy, and material processing.     

Canonical momentum,angular momentum,and helicity of circularly polarized Airy beams

We report a study of the momentum, angular momentum, and helicity of circularly polarized Airy beams propagating in free space. By using the vector angular spectrum representation, the explicit analytical expressions for the electric and magnetic field components of circularly polarized Airy beams are derived in detail. To overcome the drawbacks of classical kinematics formulae when applied to structured light beams, a general canonical approach is introduced to describe the momentum, angular momentum and helicity of Airy beams. Numerical simulation results for the spatial distributions of the canonical momentum, spin and orbital angular momentum, as well as the helicity densities are presented and discussed. This study may provide useful insights into the dynamical properties of Airy beams that may be important in several applications, including the optical control, micromanipulation, and information processing.