基于飞秒激光加工长周期光栅的全光纤三阶轨道角动量模式的产生

高效地产生相互正交的各阶轨道角动量(orbital angular momentum,OAM)模式具有重要的研究价值.目前全光纤系统中高效地产生高阶轨道角动量模式的方法主要是基于二氧化碳激光器加工的长周期光纤光栅(long period fiber grating,LPFG).然而产生高阶模式的光栅需要强的折射率调制与小的光栅周期,因此二氧化碳激光器高的功率和大的聚焦光斑不利于其刻写的重复性、成功率和延展性.为了解决这一问题,本文首次提出并制作了基于飞秒激光加工的三阶OAM模式转换器,在六模光纤上加工出了非对称的长周期光纤光栅,实验结果表明其在1550 nm附近能将基模转换为三阶的角向线性偏振模式LP31模式,模式转换效率为98%,该模式可进一步被叠加转化为三阶OAM模式.与此同时,在1310 nm附近,该光栅还能够产生角向一阶径向二阶的OAM模式.本文证明了飞秒激光加工提供了一种可用于全光纤系统,具有高重复刻写性的长周期光纤光栅来产生高阶OAM模式的思路.     

百兆赫兹重频的轨道角动量模式飞秒光纤激光器

轨道角动量(orbital angular momentum,OAM)模式激光器在大容量通信系统、激光加工、微粒子操作、量子光学领域研究有潜在应用价值. OAM模式飞秒光纤激光器具有结构简单、成本低、峰值功率高等优势而被重点研究.当前OAM模式飞秒光纤激光器在重复频率、脉冲宽度、光谱宽度等关键参数上分别都有突破,但性能难以兼得,且重复频率目前在数十MHz.本文基于模式相位匹配原理,制作了大带宽的模式耦合器,结合非线性偏振旋转锁模机理,通过优化腔内的色散,搭建了百兆赫兹重复频率的OAM模式飞秒光纤激光器.实验结果表明,一阶OAM模式光纤激光器的重复频率可达113.6 MHz,脉冲半高全宽98 fs,10 d B带宽可达101 nm;二阶OAM模式光纤激光器的重复频率可达114.9 MHz,脉冲半高全宽60 fs,10 d B带宽可达100 nm.相对于已报道的方案,本文报道的方案在重复频率、脉宽和光谱宽度等关键参数上综合性能较好,有望更广泛地应用于OAM通信、粒子操控等研究领域.     

圆柱型光纤螺线圈轨道角动量模式

传统的沿z轴光纤传输光线的轨道角动量(orbital angular momentum,OAM)光束的制备方法共同之处都是从内部结构着想,光束的主光线基本上不变,只是波面在变.但要获得携带高mh的光有一定的难度.针对上述问题,本文建立以波面不变,光束主光线变化为基础的理论框架,利用微分几何理论验证不沿z轴圆柱型光纤螺线圈传输的光线可以携带高mh OAM的理论设想.研究发现:利用流动坐标(α,β,γ)计算光线在绕圆柱体的光纤中传输时光纤截面的衍射分布图呈现涡旋特征,有高阶OAM模式.当θ=θ0时,圆柱形轨道光纤过渡到直线轨道光纤.计算光线沿直线传输时光纤截面的衍射分布图是Airy斑,即圆孔衍射斑,无高阶OAM模式.     

螺旋扭曲双包层-三芯光子晶体光纤用于轨道角动量的生成

针对螺旋扭曲的单包层-少芯光子晶体光纤在生成轨道角动量(orbital angular momentum, OAM)方面存在的不足,首次将三芯和内外空气孔不均匀的双包层结构引入光子晶体光纤,并通过螺旋扭曲实现了高阶OAM模式的生成.该光纤通过引入特殊设计的双包层结构有望降低生成的OAM模式的损耗,而围绕中心呈正三角分布的三个纤芯有望增加生成的OAM模式的数量.在光学变换原理的基础上,通过有限元方法对该光纤进行系统的分析,结果发现,当扭曲率a=7853.98 rad/m时,生成的OAM模式包括“OAM_–4,1, OAM_+9,1,OAM_+10,1, OAM_+11,1, OAM_+13,1”,其中+13阶是目前利用螺旋扭曲光纤生成的OAM模式中最高的阶数,且OAM模式的损耗均小于1.64×10^–3 d B/m,比已有文献中最低的OAM模式损耗(Napiorkowski M, Urbanczyk W S 2018 Opt. Express 26 12131)至少降低...     

轨道角动量指向可控的紧聚焦时空波包(特邀)EI北大核心CSCD

利用Debye积分,研究了三个相互正交的轨道角动量(包括两个正交的横向轨道角动量以及一个纵向轨道角动量)光场在紧聚焦条件下的复杂耦合现象,并演示了焦场中相位奇点在三维时空间中的演化。此外,还研究了具有不同拓扑荷数的纵向轨道角动量对聚焦波包整体轨道角动量指向的影响。数值结果表明,聚焦波包的整体轨道角动量指向可由纵向轨道角动量的拓扑荷数进行调控,进而实现紧聚焦时空波包的轨道角动量指向可控。这种角动量指向可控的时空波包在光学微操作、微纳加工、自旋-轨道耦合以及量子通信等领域具有潜在的应用价值。     

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.     

对经典力学中的轨道角动量和自转角动量的探讨

角动量是力学中的重要概念.本文建立了经典力学中质点系的轨道角动量和自转角动量的概念,使经典力学的理论体系更加完备,并通过几个例子阐述其应用意义.在经典力学中引入轨道角动量和自转角动量的概念,能够使学生加深对角动量的理解.     

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.     

一种支持130个轨道角动量模式稳定传输的反谐振光纤

随着光纤通信技术的不断发展,基于轨道角动量(OAM)模式传输的空分复用技术引起了人们的广泛关注。本文提出了一种反谐振光纤(ARF),其结构主要分为三部分：内层高折射率紫水晶玻璃管作为环芯,其有效增大了纤芯与包层的折射率差,有利于OAM模式的稳定传输;中间层二氧化硅(SiO₂)玻璃管起到调节色散的作用;外层负曲率管处于反谐振状态,进一步增强了对环芯光子能量的限制。该光纤可在1.5～1.7μm波段内稳定传输130个OAM模式。基于矢量有限元法(FEM)对ARF进行建模仿真与分析,结果表明,最大有效折射率差为6.08×10^-3,最小色散变化率仅为0.43 ps·nm^-1·km^-1,限制损耗(CL)维持在10^-14～10^-8 dB/m量级之间且最高模式纯度达到99.26%,有效模场面积最大值为187.38μm²,非线性系数最小值为0.87 W^-1·km^-1,数值孔径(NA)均大于0.064。此外,还...     

汉克-贝塞尔光束在海洋湍流信道中的螺旋相位谱分析

携带轨道角动量的汉克-贝塞尔(Hankel-Bessel,HB)光束具有无衍射和自聚焦特性,用来作为信息传输的载体有望增大信息传输容量.基于Rytov近似理论,推导得到了HB涡旋光束经过海洋水平弱湍流信道后的螺旋相位谱的解析表达式,并利用数值仿真方法研究了海洋湍流参数对轨道角动量模式探测概率的影响.结果表明,海洋湍流导致发射轨道角动量模式的探测概率下降,出现模式串扰和螺旋相位谱扩展.海洋湍流对HB涡旋光束的负面影响随着轨道角动量模式数、传输距离、温度方差耗散率的增加而增强,随湍流动能耗散率的增加而减弱.HB涡旋光束受以盐度波动驱动的海洋湍流的负面影响更大.另外,在弱湍流及几十米传输距离条件下,HB涡旋光束的传输性能要差于最佳束腰大小设置的拉盖尔-高斯涡旋光束.这些结果有望为海洋环境水下光通信链路的实现提供一定的参考价值.     

基于光子轨道角动量的密码通信方案研究

设计了一个基于两个正交的光子轨道角动量态的量子密码通信方案.在该方案中,Alice使用具有独特设计的激光器,随机发送有确定轨道角动量的光子;Bob采用由两个达夫棱镜组成的光束旋转器,对光子的轨道角动量态进行测量.对系统安全性的讨论表明,Eve采用截获重发、攻击单臂等攻击手段,其窃听行为都会被发现.理论证明,该方案不需要通信双方实时监测和调整参考系,同时避免了BB84,B92协议因发送基和测量基不一致而丢弃一半信息的问题,从而提高了密钥生成效率. 关键词： 量子保密通信 轨道角动量     

A design of novel photonic crystal fiber with low and flattened dispersion for supporting 84 orbital angular momentum modes

A dual-guided photonic crystal fiber(PCF) with low and flattened dispersion is designed, which can support a large number of orbital angular momentum(OAM) modes. The properties of the proposed PCF are systematically analyzed through the finite element method. The results show that the proposed PCF can support up to 84 OAM modes with 600 nm bandwidth ranging from 1000 to1600 nm. All values of mode purity are above 91.7%, the isolation parameters are larger than 67 dB and the maximum value up to 145 dB, the lowest confinement loss is only 5×10~(-13) dB·m~(-1).More importantly, the values of dispersion for all modes are less than 40 ps·km~(-1)·nm~(-1), and the lowest dispersion variation is only 0.7 ps·km~(-1)·nm~(-1). These superior optical properties make the proposed PCF have great advantage in stable transmissions of data and long-distance optical fiber communication system with large capacity.     

利用光束的轨道角动量实现高密度数据存储的机理研究

光束的轨道角动量本征态可以构建高维Hilbert空间，将之应用于数据存储中，可以实现比传统方法更高的数据存储密度.提出了一种用光束轨道角动量实现高密度数据存储的方法，对存储区域进行相位编码，通过探测透射光束轨道角动量谱(螺旋谱)的特征来区分由相位编码形成的不同数据态.四台阶结构相位编码可以实现57个不同的数据态，有望将数据密度提高为传统方法的近6倍. 关键词： 光束轨道角动量 光学存储 高密度存储     

利用具有轨道角动量的光束实现微粒的旋转

采用扭转柱面镜光学系统将半导体激光抽运固体激光器产生的厄米高斯光束变换成为具有轨道角动量的扭转对称光束.利用该光束具有的轨道角动量特性研制成功了“光学扳手”， 利用“光学扳手”实现了对微米量级微粒的俘获和旋转. 关键词： 轨道角动量 扭转对称光束 光学扳手 光束变换     

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     

Effect of atmospheric turbulence on orbital angular momentum entangled state

The entangled orbital angular momentum (OAM) photons propagating across a weakly turbulent atmosphere are investigated. Here, the paper uses the single-phase screen model based on the Kolmogorov theory of turbulence, and focuses on the influence of the backward scattering on OAM evolution. The results indicate that backward scattering plays an important role in the analysis of OAM entanglement evolution in the turbulent atmosphere. It cannot be negligible especially for higher-order OAM mode. Moreover, when OAM mode is greater than 4, entangled photon pairs composed of higher OAM modes are not more robust in turbulence within the weak scintillation regime. These results will be useful in future investigations of OAM-based optical wave propagation through turbulent atmosphere.     

电子自旋不是轨道角动量的相对论效应

根据氢原子的相对论性环电流密度jψ的表示式，指出由该jψ给出的氢原子磁矩公式必然涉及电子自旋磁矩，电子自旋不是轨道角动量的相对论效应。