基于焦散线方法的自加速光束设计

以艾里光束为代表的自加速光束是一类在自由空间中具有弯曲传播特性的新型特殊光束.这类光束因其具有无衍射、自加速和自修复等奇异特性引起了人们的广泛关注,有望应用于光学微粒操控、激光微加工、全光路由和超分辨成像等诸多领域.由于艾里光束只能沿着抛物线的轨迹传播,限制了其在实际应用中的灵活性,因而设计出能够沿着不同轨迹传播的自加速光束是这一研究领域的关键问题,而基于焦散线方法的自加速光束设计是解决该问题的有效途径之一.这一方法是将设计的传播轨迹与光学焦散线联系起来,通过分析形成该焦散线所需的光线簇构造出对应的初始场分布.基于该原理并经过不断发展,不同类型的自加速光束相继得以实现,并且借助维格纳函数还可以同时实现实空间和傅里叶空间的自加速光束设计,为自加速光束的应用提供了更多的可能性.本文对基于焦散线方法的自加速光束设计原理和进展进行全面介绍.     

无衍射特殊光束的产生与三维表征

无衍射光束(如贝塞尔光束、艾里光束)因具有无衍射、自愈合的特性, 在很多领域都有广泛的应用. 本文提出使用纯相位型空间光调制器对光场的复振幅进行调控, 从而可以产生多种复杂模式的无衍射光束, 如强度可独立调控的多个零阶贝塞尔光束, 两个高阶贝塞尔光束干涉生成的花瓣状无衍射光束, 具有多个主瓣的加速光束等特殊的无衍射光束. 通过在待测焦场附近放置一个平面反射镜, 使其沿光轴快速扫描光场, 并由数字相机同步拍摄反射回来的一系列二维光场强度分布信息, 可实现对无衍射光束三维光场强度分布的快速测量和表征. 本实验方法和技术可以快速产生各种复杂的特殊光场并获得其精确的三维可视化重建效果, 在光学显微、光学俘获、光学微加工等领域有潜在的应用价值.     

双级无衍射光束的生成理论与实验研究

为进一步完善多级无衍射光束的传输与变换理论,拓展双级无衍射光束的应用范围,根据轴锥镜法和菲涅耳衍射理论对双级无衍射光束的光场分布做了详细理论分析;基于轴锥镜法搭建生成双级无衍射光束的实验平台,获取了沿光轴传输至不同距离处的截面光斑及其光强分布,探究了平行光束不同入射倾角对无衍射光束传输变换的影响.实验结果表明:双极无衍射出射光场由四个区域组成,在干涉重合区其光强为一、二级轴棱锥出射场的耦合叠加,其余区域仍保持单级无衍射光束的传播特性,其光强大小受轴棱锥透镜的入射光阑与透镜底角影响,光斑破裂程度与平行光束的入射倾角呈正相关.本文对双极无衍射光束的空间传播特性、光强分布特性、光强影响因素等做了详细分析,对拓展多级无衍射光束的应用具有指导意义.     

矢量空心高斯光束横纵向光场传输特性

基于矢量瑞利-索末菲衍射积分,研究了矢量空心高斯光束横向光场和纵向光场在自由空间中的传输特性.研究结果表明,空心高斯光束的横向光场与纵向光场在传输过程中光强分布情况并不相同,横向光场的光强分布具有旋转对称性,并且保持空心特性的距离受光束阶数的影响,而纵向光场不再具有旋转对称性,并且在理想状态下纵向光场可以一直保持空心特...     

径向偏振螺旋贝塞尔光束的传输特性及其自重建

基于广义惠更斯-菲涅尔衍射理论,导出径向偏振螺旋贝塞尔光束的光场表达式,研究了该光束的传输特性和传输过程中光束偏振态的变化,及其通过扇形障碍物后的自重建特性.理论分析和数值计算发现:径向偏振螺旋贝塞尔光束在自由空间传输时,在一定传输区域内,光束以空心光束的形态绕光轴做离轴螺旋传输,光束的发散角为零并一直保持着径向偏振的特性;在光束的自重建过程中,始终保持离轴螺旋传输特性,随着传输距离的增加,原本在遮挡区域消失的能量,被逐渐衍射至障碍物遮挡区域的相反位置.     

蜂巢光子晶格中光波的无衍射和反常折射

空间频率模式的光子带隙反映了光波在周期性结构中的线性传输特性.以这种线性传输特性为基础,研究了蜂巢光子晶格中光波的无衍射和反常折射.通过详细分析带隙结构第一通带上的衍射与折射特性,得出了光波发生反常衍射和折射的入射条件.匹配不同的入射条件,数值模拟了光波的无衍射传输和反常折射现象.结果表明:将入射光束的波矢设置在蜂巢晶格布里渊区中正常、反常衍射区的交界处,可使高斯光束沿x轴、y轴方向的衍射得到有效抑制;以多光束干涉场作为入射光场,可对蜂巢晶格进行模式匹配,激发第二布里渊区的传输模式;进一步将模式匹配后入射光场的波矢设置在反常折射区,可实现光波的反常折射.     

基于圆锥透镜生成双级无衍射光束的理论分析

为进一步完善多级无衍射光束的传输与转换理论,基于轴锥镜法和菲涅耳衍射理论对双级无衍射光束的光场分布做了详细理论分析,采用数值模拟软件对双级无衍射光束的空间光强分布与轴上光强分布进行仿真;基于锥镜加工工艺对锥镜顶点和一、二级锥镜临界点呈双曲线分布的双级轴棱锥透镜的光场分布进行研究,分析了双级无衍射光场的场强大小和影响光场振荡周期的因素。结果表明:理想双级轴棱锥透镜生成的无衍射光场由4个区域组成,在干涉重合区其光强为一、二级轴棱锥衍射场的耦合叠加,其余区域仍保持单级无衍射光场分布特性;锥镜顶点和一、二级锥镜临界点呈双曲线分布的双级轴棱锥透镜的光场分布受双曲线特征参数影响较大。其特殊的光场分布为多级无衍射光束拓展至大尺寸空间测量以及粒子微操作等提供了新的可能。     

基于Pancharatnam-Berry相位调控产生混合偏振矢量光束

提出了一种基于Pancharatnam-Berry(PB)相位调控产生混合偏振矢量光束的方法.按照光轴随空间坐标变化的规律,用相位延迟为π的PB相位元件对PB相位进行操控,获得局域偏振为线偏振的矢量光束,将此矢量光束入射到四分之一波片,产生混合偏振矢量光束.通过测定斯托克斯参数重构输出光场的偏振分布,实验结果表明:当以θ0=0的线偏振光入射时,输出光场包含庞加莱球上垂直于S3轴经线圆上所有偏振态的混合矢量光场;当以θ0=π/2的线偏振光入射时,输出光场包含庞加莱球上垂直于S1轴经线圆上所有偏振态的混合矢量光场.     

特殊关联结构光束的大气传输研究进展

近年来,光场调控逐渐成为光学领域的热点研究课题,光场相干性调控可以引发许多新颖物理效应。其中,通过相干性调控得到的特殊关联结构光束不仅展现出奇特的传输特性,而且可以有效地降低大气湍流引起的光强退化、光束漂移、光强闪烁和退偏振等负面效应。因此,特殊关联结构光束在自由空间光通信领域具有重要的应用前景。本文回顾了特殊关联结构光束的构建基础理论和大气传输研究方法及其发展历程,举例展示近些年典型特殊关联结构光束的大气传输研究成果。     

具轨道角动量光束用于光通信编码及解码研究

无衍射光是在自由空间传播过程中一定范围内横向强度分布保持不变的光场,具有方向性好以及传输距离远等特点,某些类型的无衍射光具有轨道角动量.分析了具有轨道角动量光束以及无衍射光在空间中的传输特点,以计算全息图作为反射式相位调制的空间光调制器(SLM)实现光学变换,并通过由锥形透镜构成的模式转换器,将携带信息的拉盖尔-高斯(L-G)光束转换成为具有相同拓扑荷的高阶Bessel无衍射光束,提出了一种通过具有轨道角动量的高阶Bessel无衍射光束来进行空间光信息传输的编码解码方法,在保证激光大气通信的安全保密性的同时,提高了信息传输的密度和准确率.     

无衍射光束的产生及其应用

近年来,随着激光技术的快速发展,相继产生了多种在远距离传输后中心光斑保持不变的无衍射光束,包括贝塞尔光束、高阶贝塞尔光束、马丢光束、高阶马丢光束、余弦光束、抛物线光束以及艾里光束.无衍射光束在激光打孔、激光精密准直、光学精密控制、光学微操控、光通信、等离子体导向、光子弹产生、光通信、自聚焦光束的合成以及非线性光学等领域中有着广泛的应用.本文介绍了各类无衍射光束的数学表达式、产生方法及对应的实验结果;就无衍射光束的特性和应用进行了归纳和讨论;并对其在未来的研究与应用前景中发挥的重要作用进行了简要总结与展望.     

Poincaré-sphere equivalent for light beams containing orbital angular momentum

The polarization state of a light beam is related to its spin angular momentum and can be represented on the Poincaré sphere. We propose a sphere for light beams in analogous orbital angular momentum states. Using the Poincaré-sphere equivalent, we interpret the rotational frequency shift for light beams with orbital angular momentum [Phys. Rev. Lett. 80, 3217 (1998)] as a dynamically evolving geometric phase.     

基于Metasurface的柱矢量光束的产生

本文提出了一种基于Metasurface产生任意柱矢量光束的方法.采用的Metasurface是在熔融石英上刻蚀空间变化的非周期光栅构成.非周期光栅会形成空变的有效双折射,从而对光场的偏振态空间分布进行调制.通过琼斯矩阵的方法分析得出这样的Metasurface可以将入射线偏振光转换为柱矢量光束,并且只需要改变入射线偏振光的偏振方向即可获得高阶庞加莱球赤道上任意一点的柱矢量光束.最后,用Metasurface搭建了一套简单、高效的柱矢量光束产生系统,实验结果与理论分析一致.     

三能级混合态的量子几何相位

把三能级开放系统的密度矩阵按照Gellmann矩阵展开,然后将展开系数和Bloch球中的方位角对应, 从而获得了Poincaré球内部点和复三维Hilbert空间的非单位矢量即波函数的映射.进一步建议用该非单位矢量来定义混合态的量子几何相位.结果显示该几何相位仅仅与复Hilbert投影空间的几何结构有关, 与开放系统具体的演化路径无关;并且该混合态的几何相位依赖于开放系统的反转粒子数,也是描述开放系统混合度的单值光滑曲线,这个结果意味着混合态的演化的确按照几何相位保持其运动记忆.此外,在纯态的限制下,Berry相位是本文定义的几何相位极限情况.     

大气湍流中光束的高阶强度矩

研究了光束通过大气湍流传输的高阶强度矩, 提出了大气湍流中光束高阶强度矩的推导方法, 并推导出了一至四阶光束强度矩传输的解析表达式. 所得结果具有一般性,任意某一光束在自由空间和大气湍流中传输的高阶强度矩均可作为本文结果的特例. 另一方面, 以高斯光束为例, 研究了其K参数在湍流大气中的传输规律. 研究表明,高斯光束在大气湍流中其K参数并不是一个传输不变量,它与传输距离、束腰半径、湍流内外尺度以及湍流强度均有关.这个结论与采用Rytov相位结构函数二次近似或强湍流近似下的结论不同,本文给出了合理解释. 关键词： 高阶强度矩 大气传输 大气湍流 K参数')" href="#">K参数     

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.     

Optics of oblique meridional and nonmeridional rays of a conicoid

Based on the exact expression for the angular eikonal of an axisymmetric conicoid (a surface formed by revolution of a second-order curve, or conic) the expressions for the Gaussian optics of oblique meridional rays are obtained, which differ from the well-known Gullstrand-Young invariants for a sphere by a set of independent arguments and contain explicitly the parameters of an optical system. The collinear properties of an optical surface with oblique meridional beams are studied. The theory of astigmatism is extended to the case of oblique nonmeridional rays, which makes it possible to construct and analyze in the first approximation the focal surfaces of an actual wide beam of rays. The theory is tested using the example of optimization of an aplanatic lens for the case of an off-axis point of an object. Based on the exact expression for the angular eikonal, definitions of integral aberrations are given. It is proposed to use the method developed in optimization of optical systems.     

Group theoretical methods in optics

Scalar Fourier optics is concerned with the passage of paraxial light beams through ideal optical systems. It is well known that the action of the latter on the former can be given in the framework of the two- and four-dimensional real symplectic groups. It is shown here that, based on an analysis of the Poincaré symmetry of the complete Maxwell equations in the front form, a natural representation for paraxial Maxwell beams emerges, which moreover shows the way to a generalization of scalar to vector Fourier optics preserving the group structure of ideal optical systems. Properties of generalized rays, and the usefulness of some pseudo-orthogonal groups in the treatment of Gaussian Schell-model beams, are also brought out.     

Use of the poincare sphere in polarization optics and classical and quantum mechanics. Review

The method of the Poincaré sphere, which was proposed by Henri Poincaré in 1891–1892, is a convenient approach to represent polarized light. This method is graphical: each point on the sphere corresponds to a certain polarization state. Apart from the obvious representation of polarized light, the method of the Poincaré sphere permits efficient solution of problems that result from the use of a set of phase plates or a combination of phase plates and ideally homogeneous polarizers. Recently, to calculate the geometric phase (which is often called the Berry phase) in polarization optics and quantum and classical mechanics, the method of the Poincaré sphere has drawn much attention, since it allows us to carry out these calculations very efficiently and intuitively using the solid angle resting, on a closed curve on the Poincaré sphere that corresponds to the change in the state of light polarization or in the state of spin of an elementary particle or its orientation in space from the viewpoint of systems in classical mechanics. The review considers papers on the above problems. Institute of Applied Physics, Russian Academy of Sciences, Nizhny Novgorod, Russia. Translated from Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii, Radiofizika, Vol. 40, No. 3, pp. 265–307, March. 1997.