弱湍流大气中部分相干涡旋光束的轨道角动量特性

根据轨道角动量谱理论,推导了部分相干拉盖尔-高斯光束轨道角动量态的功率表达式。分析了相干长度、束宽对轨道角动量的影响,讨论了弱湍流大气中部分相干-拉盖尔高斯光束轨道角动量特性。结果表明:部分相干拉盖尔-高斯光束在相干长度与束腰半径比值固定的情况下,其初始轨道角动量态相对功率不会随着束腰半径的改变而变化。在部分相干拉盖尔-高斯光束初始相干长度与束腰半径取值大小相同的情况下,随着束腰半径的增大,光束在弱湍流大气中传输1 km处的初始轨道角动量态相对功率减小。     

径向偏振部分相干扭曲光束在各向异性大气湍流中的传输特性

本文推导径向偏振部分相干扭曲光束(RPPCTB)在各向异性大气湍流中传输因子和空间扩展的解析表达式,主要分析扭曲因子等光束参数及各向异性因子等大气湍流参数对光束传输特性的影响,通过相应的数值模拟计算分析初始相干长度、束腰宽度、波长、扭曲因子、各向异性因子、湍流内尺度、湍流外尺度和广义指数参数对光束传输质量的影响.仿真结果表明,通过减小光束的初始相干长度,增加束腰宽度和波长,可以提高光束的传输质量,而增大光束的扭曲因子,光束有更小的传输因子,这表明通过合理地调控光束的扭曲相位,可以有效提高光束的抗湍流能力.     

部分相干圆偏振反常涡旋光束的紧聚焦及辐射力研究

根据矢量衍射理论和部分相干理论,推导了部分相干圆偏振反常涡旋光束经过高数值孔径聚焦透镜后的光强表达式.详细讨论了入射光束参数以及聚焦透镜的数值孔径大小对光束紧聚焦特性的影响.研究结果表明:自旋方向,拓扑荷数以及数值孔径大小对光强分布有影响,相干长度以及光束阶数仅改变光强值,光束经过紧聚焦后在轴向方向上自旋角动量可以转换...     

论涡旋电磁波轨道角动量传输新维度

轨道角动量（OAM）是电磁波的固有物理量,与电场强度的物理量纲线性无关,可构成无线传输中的新维度。从电磁波资源利用和发展的历史出发,分析了电磁波轨道角动量的物理特征,明确了只有电磁波量子携带内禀OAM的涡旋电磁波传输系统才可以获得MIMO传输以外的无线传输新维度;统计态OAM涡旋波束中的电磁波量子形成的外部OAM与空域维度相耦合,无法构成MIMO传输以外的新维度,但在直射视距（Lo S）信道时可获得额外自由度和较低的复杂度。依据信道容量的不同,将典型涡旋电磁波OAM传输系统划分为4个不同区域,并着重指出量子态OAM涡旋电磁波传输可以形成超越传统MIMO容量界的含有OAM维度的新MIMO容量界。     

部分相干径向偏振扭曲光束在非均匀大气湍流中的传输特性

利用扩展的Huygens Fresnel原理以及维格纳分布函数(Wigner distribution function,WDF)的二阶矩理论,推导出部分相干径向偏振扭曲光束(partially coherent radially polarized twisted beam,PCRPTB)在非均匀大气湍流中的M2因子、空间扩展和角扩展的解析式。通过相应的数值模拟计算分析了初始相干长度、束腰宽度、波长、天顶角、扭曲因子、湍流内尺度等对光束传输质量的影响。研究表明具有扭曲相位的PCRPTB展现出更强的抗大气湍流的能力,且扭曲因子越大,光束抗大气湍流的能力越强。而且减小初始相干长度,增大束腰宽度,波长也可以有效降低PCRPTB在大气湍流中的相对M2因子,使光束具有更强的抗大气湍流的能力。研究还可以发现,PCRPTB在湍流内尺度与广义指数参数较大的大气湍流中以一个更小的天顶角传输,其相对M2因子更小,表明大气湍流对PCRPTB的影响更小。     

J0相关径向偏振涡旋光束紧聚焦的空间相干特性

为了研究J₀相关径向偏振涡旋光束深聚焦的相干特性,采用矢量德拜理论和相干理论,对聚焦场在光轴和焦平面上的相干特性进行了理论分析和数值仿真,取得相干度表达式和模拟数据。结果表明,在焦点区域的纵向相干度不但随着拓扑荷数n的增加而增大,而且还随着相干参量或者数值孔径d_NA的增大而减小;在焦平面的横向相干度也随着拓扑荷数或者相干参量或者数值孔径的增大而减小; 当n≥5或者d_NA≤0.4时,纵向相干度在焦点附近约为1;这种相干度还存在相位异常点。这些研究结果对J₀相关矢量涡旋光束在许多领域的应用具有一定意义。     

部分相干且部分偏振的光脉冲

提出了时域部分相干、部分偏振的光脉冲的慨念,定义了相应的时域部分相干-偏振矩阵(PCPM),对矩阵元和偏振度的测量方法以及光脉冲所满足的传输规律进行了研究;对矩阵元和偏振度的实验测量方法进行了分析．得到了光脉冲偏振度的表达式;进一步研究了部分偏振、部分相干光脉冲的传输和变换．发现在光脉冲传输过程中,矩阵元之间相互独立．并且各矩阵元的传输规律与标量的部分相干光脉冲一致。     

基于光学衍射神经网络的完美涡旋光轨道角动量识别北大核心CSCD

完美涡旋光束(POVB)是径向强度分布和半径均与光束轨道角动量(OAM)状态无关的一类涡旋光,已被应用于光学操控、光通信、激光材料处理等领域。其中, POVB轨道角动量状态的探测是关键且有挑战的技术。本研究通过并行梯度下降算法,构建了光学衍射神经网络(DNN),实验上实现了轨道角动量阶数在-50~+50范围内的POVB的识别。在此过程中,衍射转换效率可达58%。本研究为POVB的OAM探测提供了新的思路,在POVB的各类应用中均存在潜在应用价值。     

分数阶涡旋光束的轨道角动量的测量

理论分析了拓扑电荷数为分数且大小相等、符号相反的两束涡旋光束的干涉,实验研究了分数阶涡旋光束的拓扑电荷数的改变对干涉的影响。研究结果表明,采用加道威棱镜的马赫曾德尔干涉方法可以容易地分辨拓扑电荷数为0.5的整数倍涡旋光束,而其它分数阶涡旋光束的分辨则比较困难。     

Intensity modulation of a tightly focused partially coherent and radially polarized beam

Because of the circular symmetry of a completely coherent radially polarized beam,the azimuthal intensity component is zero when it is focused by a high numerical aperture(NA) objective.In this paper,we show that such a conclusion is not tenable under the illumination of partially coherent beam whose coherent property depends on the azimuthal angle.Taking the Gaussian Schell-model(GSM) beam for an example,the tight focusing property of a partially coherent beam is studied,and the intensity and its radial,azimuthal and longitudinal components are particularly researched.The results show that the percentage of the components on the total intensity depends on the correlation length of the partially coherent beam.The azimuthal intensity component is produced under the illumination of partially coherent beam.     

径向偏振高次方指数涡旋光束的紧聚焦特性

为了获得一些具有特殊光强分布的波长量级聚焦 光斑,理论研究了具有径 向偏振特性的高次方涡旋光束经过大数值孔径透镜的聚焦。基于矢量德拜理论,对 径向偏振高次方涡旋光束经过大数值孔径透镜聚焦的光强和相位进行了数值模拟 研究。关于聚焦平面光强分布的研究发现,聚焦光斑的光强与高次方涡旋光束的拓 扑荷数和幂次方数有关。拓扑荷数为1的一次方涡旋光束的聚焦光强呈现圆对称分 布,随着光束幂次方数的增加,演变为非圆对称分布。拓扑荷数为2的一次方涡旋 光束的聚焦光斑为中空的圆对称分布,随着光束幂次方数的增加,其暗核形状会变 化并最终消失。紧聚焦的径向偏振光会产生较强的纵向分量,因此本文还研究了光 束的纵向相位分布,研究发现纵向相位奇点的数目与涡旋光束的拓扑荷数相同。获 得了不同光强分布的尺寸为波长量级的聚焦光斑,这些研究结果有望在基于激光的 光学操控中得到应用。     

矢量涡旋光束经光阑-透镜系统的OAM与偏振特性

与标量涡旋光束不同,矢量涡旋光束同时具有各项异性的空间偏振分布和螺旋相位分布,并携带与相位分布有关的轨道角动量(Orbital angular momentum,OAM)。根据柯林斯衍射积分理论,得到了傍轴近似条件下矢量涡旋光束的OAM密度,实验采集了矢量涡旋光束通过光阑-透镜系统后的光场,详细讨论了光阑截断参数以及光阑-透镜间距等参数对矢量涡旋光场及其OAM密度的影响。结果表明:相比标量涡旋光束,矢量涡旋光束OAM通过光阑系统后随传输距离的衰减更慢,受光阑截断参数影响更小。矢量涡旋光束偏振态不受光阑-透镜系统影响,截断参数大于4.2时,轨道角动量密度和光强不受截断参数影响。在透镜焦点位置处,OAM密度达到最大值。研究结果为矢量涡旋光束OAM特性的应用提供理论依据。     

Tight focusing of a partially coherent and partially polarized beam

The focusing properties of a partially coherent and partially polarized beam focused by a high numerical aperture(NA) objective are investigated.The influence of the degree of polarization and the correlation length of the incident beam and the numerical aperture of the objective on the intensity and degree of polarization in the focal region is studied.It is shown that the intensity and degree of polarization in the focal region change with the degree of polarization and the correlation length of the incid...     

斜程湍流大气中矢量涡旋光束的OAM特性研究

基于螺旋谱理论推导出矢量涡旋光束在斜程大气湍流传输中的轨道角动量(orbital angularmomentum,OAM)谱,讨论了修正Kolmogorov大气湍流对不同阶矢量涡旋光束光场分布及光束OAM谱的影响。利用旋转毛玻璃作为随机相位屏,实验采集了矢量涡旋光束通过旋转毛玻璃后的光强图像与归一化强度。结果表明:经大气湍流斜程传输后,矢量涡旋光束的光强分布产生畸变且OAM谱发生弥散,OAM谱弥散程度随传输距离的增大而增大。传输距离不变时,天顶角越大,主OAM模相对功率越小,湍流内尺度减小与折射率结构常数增大均会导致主OAM模相对功率减小。同一传输路径下,随着湍流强度的增大,矢量涡旋光束中心相位奇点的强度逐渐增大,并且拓扑荷不变时,偏振阶数高的矢量涡旋光束受到的湍流影响较小。     

高斯涡旋光束在斜程大气湍流中的轨道角动量特性

本文基于广义惠更斯-菲涅尔原理和大气湍流理论模型,推导了高斯涡旋光束在non-Kolmogorov大气湍流中斜程传输的螺旋谱解析表达式和光强表达式,并数值模拟了涡旋光束传输后螺旋谱和光强的分布规律,分析了各光束参数和大气湍流对螺旋谱弥散的影响。研究结果表明：随着传输距离增大,螺旋谱弥散越强烈,在增大到一定距离时,各螺旋谱分量逐渐趋于均匀分布,光强逐渐呈高斯分布。增大光束的初始拓扑荷数和波长可有效减小传输后螺旋谱的弥散程度;当天顶角逐渐增大到π/2时,传输方式为水平传输,螺旋谱弥散程度显著增大;近地面折射率结构常数越大、湍流内尺度越小,螺旋谱弥散越严重,而湍流外尺度对螺旋谱的影响程度很小。     

模态波束双可重构OAM发生器的研究

针对圆环形阵列天线产生轨道角动量(orbital angular momentum, OAM)涡旋波的技术, 提出了宽带圆极化单臂螺旋天线(single-arm spiral antenna, SASA)构成的机械可重构圆环形阵列天线, 并深入研究了OAM涡旋波的模态检测和收发情况.利用SASA的相位特性, 调控各阵元绕自身轴线的旋转角度, 可灵活控制OAM涡旋波的主波束辐射方向.该设计可实现OAM模态和涡旋波辐射方向双可重构调控特性, 并根据SASA的旋转角方向实现左旋圆极化或右旋圆极化OAM涡旋波.实验加工并测试了该可重构圆环形OAM阵列天线, 验证了该思想和方法的正确性和有效性.     

多高斯关联扭曲光束在GRIN光纤中的轨道角动量演化

轨道角动量(orbital angular momentum, OAM)的引入丰富了光通信领域内的调制维度,为寻找更高效快捷的通信方式提供了新思路,相较于传统携带涡旋相位的涡旋光束,部分相干扭曲光束携带的OAM性质更为复杂。本文针对椭圆多高斯关联扭曲光束在梯度折射率(gradient-index, GRIN)光纤中的OAM传输,基于GRIN光纤的ABCD光学传输矩阵,着重分析了多高斯关联扭曲光束在GRIN光纤传输的OAM的传输演化特性。研究结果表明,光束的光强、OAM通量密度以及归一化OAM通量密度在光纤传输过程中均呈现周期性变化,通过对关联结构以及扭曲因子的调控不仅可以改变光束OAM通量密度的分布,还可以调控单光子携带OAM的大小。本文的研究有助于丰富扭曲部分相干光束在GRIN光纤中传输的理论结果,在光纤通信中具有潜在的应用前景。