频谱非对称包络调制的圆对称艾里光束的传播特性研究

为了增强圆对称艾里光束的自聚焦能力,本文使用了非对称双曲正割函数对光束的频谱进行了包络调制研究,详细探讨了频谱中高、低频分量对自聚焦特性的影响.结果表明单纯增加频谱的高频分量,并不会使自聚焦能力持续增强,低频分量对光束的自聚焦特性同样起着不可或缺的作用.由于非对称包络可以灵活的调节高、低频分量的比重,因此调制效果要优于高通滤波和对称包络调制.当调制参数选取适当时,光束焦点峰值大幅增加,达到了调制前的3.4倍,同时焦斑尺寸减小了23.6%.最后,本文对理论分析结果进行了实验验证,实验结果与理论结果相吻合,证明了频谱的非对称包络调制是一种高效且易于实现的调制方法.     

多艾里光束合成自聚焦光束的实验实现

多光束合成和单光束聚焦一直是提高激光束功率和功率密度的两个重要方法. 结合艾里光束在自由空间中沿弯曲路径传播的特性, 从数值模拟和实验两个方面, 研究了利用多个一维艾里光束合成自由空间自聚焦光束的方法, 并对所得到的模拟和实验结果进行了对比. 采用分步束传播法, 分别模拟了由四个和八个一维艾里光束合成的自聚焦光束在自由空间中的传播过程, 给出了自聚焦光束在传播过程中横向和纵向的光强分布和变化趋势. 采用计算全息和空间光调制器技术实验, 实现了多个一维艾里光束合成的自聚焦光束. 实验中分别测量了四个和八个一维艾里光束合成的自聚焦光束的横向光强分布. 实验结果和理论结果符合得较好. 另外, 为了进一步增大自聚焦光束的功率, 可以增加参与合成的一维艾里光束的数量. 同时, 自聚焦光束的焦距可以通过调整各个一维艾里光束的相对位置进行调节.     

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.     

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。     

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。     

艾里涡旋光束在梯度折射率介质中的动态传输与涡旋轨迹

推导了艾里涡旋光束在傍轴ABCD光学系统中的传输解析式,研究了其在梯度折射率介质中的动态传输、坡印廷矢量和涡旋轨迹,及涡旋核对艾里主波瓣和坡印廷矢量的影响.结果表明:弹道轨迹和涡旋轨迹不再是传统的抛物线,而是呈三角函数分布;在z=(2j+1)L/4处,弹道轨迹和涡旋轨迹均会有奇异现象,且在z=(j+1)L/2附近有坡印廷矢量的反转现象.在临界传输距离处,艾里主波瓣会被涡旋核遮拦,随着传输距离的增大,艾里主波瓣由于自愈特性再次出现,并绕最近的涡旋核旋转.     

艾里涡旋光束的多空间维度自由调控

基于多坐标变换技术,依次对一维艾里光束、二维艾里光束以及艾里涡旋光束进行不同坐标系下的变换,实现了艾里光束的两个边瓣方向和嵌入的光学涡旋方向在0到2π范围内的自由调控.分析了边瓣夹角分别为钝角和锐角时的艾里光束以及边瓣垂直时的艾里涡旋光束在传播距离0、2、6、10 cm处的传播动力学特性.理论与实验研究结果表明,通过边...     

可调谐艾里光束及其传输特性

艾里光束是一种新型无衍射光束,解决了激光在传播过程中的衍射效应。基于艾里变换技术,介绍一种可以通过椭圆平顶高斯光束产生的新型艾里光束,即可调谐艾里光束。通过理论计算,可以看出调节椭圆平顶高斯光束的束宽比可获得单尾艾里光束,同时,可调谐艾里光束的尾长可以通过调节入射椭圆平顶高斯光束的阶数来控制。通过研究,当束宽比p=1时,艾里光束的加速方向沿x轴45方向;p=1/2时,加速方向沿x轴31方向,p=1/3时,加速方向为沿x正方向,可见调节束宽比p的大小可以改变艾里光束的加速方向。     

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.     

大气湍流信道中聚焦涡旋光束轨道角动量串扰特性

携带轨道角动量的涡旋光束作为传输信息的载体能有效提高信息传输效率,然而在传输过程中受大气湍流影响轨道角动量会发生串扰.基于螺旋谱分析理论,推导得到了聚焦拉盖尔高斯光束在各向异性大气湍流中传输时的螺旋谱解析表达式,并对比分析不同湍流和光束参数对聚焦与非聚焦拉盖尔高斯光束接收功率的影响,最后利用多相位屏法进行模拟验证.结果表明:随着传输距离、湍流强度、拓扑荷数的增大以及湍流内尺度、光束波长的减小,接收功率减小,轨道角动量串扰增大;接收孔径到达一定值时对轨道角动量串扰的影响非常小;聚焦光束比非聚焦光束的轨道角动量串扰要小.这些结果将对提高自由空间光通信的质量有一定意义.     

高阶涡旋光束生成技术研究

应用液晶空间光调制器加载螺旋相位片的方法可以高效地生成涡旋光束,但由于液晶空间光调制器分辨率有限,在加载高阶螺旋相位片时其中心会出现相位失真,造成涡旋光束质量不高。通过在螺线相位片中心区域引入闪耀光栅的方法,得到了光束质量较高的高阶单模涡旋光束和多模涡旋光束,为生成高阶涡旋光束提供了一种很好的方法。     

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     

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。     

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。     

自旋-轨道相互作用下X型涡旋光束的传播特性

研究了 X型涡旋光束在左旋/右旋圆偏振状态下在紧聚焦系统中的传播特性,讨论了 自旋-轨道相互作用下焦平面光强的横向焦移和传播方向旋转现象的特点及其调控方法.研究发现:相位分布因子c是X型涡旋光束产生横向焦移和光强旋转的主要原因,而半孔径角α、偏振态和拓扑荷数对光强分布均有调控作用;由于自旋-轨道相互作用,入射光为左旋圆...     

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.     

啁啾艾里光束在非局域介质中的传播特性

本文基于包含非局域非线性效应的非线性薛定谔方程,采用分步傅里叶变换方法,详细研究了竞争非局域非线性介质中啁啾艾里光束的传输动力学特性。结果表明:啁啾可以改变单艾里光束的传输速度,且啁啾越大,脉冲偏移速度越大,但啁啾对光束的呼吸周期和振幅影响却不大。当初始输入为啁啾双艾里光束时,在弱非局域介质中,啁啾会使两光束间的排斥力增强,从而影响孤子的呼吸周期;而在强非局域介质中,两光束的相互作用较为复杂,表现为结构复杂的准周期特性,啁啾会导致准周期结构的周期变化,且随着啁啾绝对值的增大,准周期结构的周期变大,光束衍射增强。     

完美涡旋光束在大气湍流传输中的螺旋相位谱分析

基于Rytov近似,理论推导了完美涡旋光束（PVB）经过大气湍流水平信道后的螺旋相位谱解析表达式,研究了大气湍流中光束波长、半环宽、发射处轨道角动量（OAM）模态、光束半径、近地面折射率结构常数以及湍流系数对OAM模态探测概率和串扰概率的影响。结果表明：随着发射处OAM模态、传输距离、光束半径、近地面折射率结构常数以及湍流系数的增加,经大气湍流传输后的探测概率下降;随着光束波长的增加,经大气湍流传输后的探测概率增加。此外,PVB在近场的探测概率几乎不随发射处OAM模态变化,而当光束传输到远场时,探测概率随发射处OAM模态变化明显,这是因为PVB传输到远场变成类贝塞尔光束,其光束半径随发射处OAM模态变化明显。