水下拉盖尔-高斯涡旋光束及其叠加态传输特性

通过实验研究了拉盖尔-高斯涡旋光束及其叠加态在水下湍流中的传输特性,充分考虑了不同温度差和盐度差的水流扩散产生的湍流对4种光束（高斯光束,阶数为0、拓扑荷数为6的拉盖尔-高斯涡旋光束,阶数为1、拓扑荷数为2与阶数为0、拓扑荷数为6的拉盖尔-高斯涡旋光叠加,阶数为1、拓扑荷数为2与阶数为0、拓扑荷数为10的拉盖尔-高斯涡旋光叠加）传输的影响,并对4种光束的漂移方差和闪烁指数进行深入讨论与分析。实验结果表明：随着湍流强度的增大,4种光束的漂移方差和闪烁指数都增大,相比其他3种光束,拉盖尔-高斯涡旋光束的漂移方差和闪烁指数较小;在较弱的湍流强度下,两种涡旋光叠加态的漂移方差和闪烁指数与拉盖尔-高斯涡旋光束相近。     

拉盖尔-高斯光束照射产生散斑场的特性研究

研究了拉盖尔-高斯光束照射毛玻璃产生的散斑场的特性。利用空间光调制器结合计算全息法产生了拉盖尔-高斯涡旋光束;较深入地研究了拉盖尔-高斯光束照射下散斑大小与光束径向指数、角向指数及涡旋光束面积间的关系。结果显示:对同一径向指数,散斑颗粒平均大小随角向指数的增大呈直线减小趋势;对同一角向指数,散斑大小随径向指数的增大而减小;散斑大小与涡旋光束照射面积的负指数成正比;随径向指数的增大,其逐渐接近高斯光束照射的结果。     

光学涡旋横向线动量密度的传输演化特性

对于光学涡旋特别是具有复杂拓扑结构的光学涡旋,可以通过数值计算的方法获得实验上难以准确测量的角动量分布及其传输演化特性。在略去线偏振光场线动量密度中的轴向分量的情况下可获得涡旋光场的横向线动量密度,其在光束截面上的角向分量表征了涡旋角动量的分布。通过数值模拟,研究了单束拉盖尔-高斯光束和拓扑荷不同的两束拉盖尔-高斯光束同轴叠加后在自由空间中的传播过程,获得了强度分布、相位分布和横向线动量密度在瑞利长度内的分布特征。通过分析光束横截面上强度分布和线动量密度的演化特性表明,在远离束腰处光束的衍射效应不仅降低了横向线动量密度,还会增加径向分量,因而增强了径向力学特性,减弱了角向力学特性,因此在具体实施微操控时不宜在距离束腰面较远的横截面内进行。     

高数值孔径聚焦系统中的光学参量对三维双光链的影响

设计了衍射光学元件,利用该元件对入射的角向偏振拉盖尔-高斯矢量光束进行调制,在高数值孔径聚焦透镜的焦平面附近获得了沿光轴方向成对的三维多点光俘获结构——双光链。分析了入射光束的参数(缔合拉盖尔多项式的拓扑荷数和径向模数以及光束的拦截比)、衍射光学元件的内外环结构和聚焦透镜的数值孔径对双光链的影响。结果表明,改变拓扑荷数和径向模数会破坏双光链结构,通过调节拦截比和衍射光学元件的结构可重新获得双光链,从而实现对双光链结构的高自由度控制。     

糖类同分异构体的太赫兹吸收峰形成机理研究

建立了一种新型拉盖尔-高斯幂指数相位涡旋光束(PEPVB)理论模型,并基于广义柯林斯公式建立了拉盖尔-高斯PEPVB在傍轴近似下的传输理论模型。采用MATLAB数值计算软件仿真了拉盖尔-高斯PEPVB的自由空间传输特性和聚焦特性与径向阶数、拓扑荷数、幂指数和传输距离的关系。研究结果表明拉盖尔-高斯PEPVB及其传输特性不仅与幂指数和拓扑荷数有关,还与拉盖尔-高斯多项式的径向阶数有关,且在传输过程中光束能量沿着环形旋转聚集。这为光学操控微粒沿弯曲路径移动并避开障碍物打下了基础,对促进新型光场调控的理论及应用研究具有重要的意义。     

涡旋光束与相位全息光栅不对准时的衍射特性研究

研究了涡旋光束与相位全息光栅不对准时衍射光束的解析特性.利用理论推导的方法得出涡旋光束经相位全息光栅接收后一阶衍射光束的解析表达式.然后通过仿真分析分别得出在发生正常对准、横向偏移、角向倾斜及横向偏移和角向倾斜两者同时出现时衍射光束的质心偏移特性和中心强度变化特性.研究表明: 拉盖尔-高斯光束经相位全息光栅衍射后得到的光场表达式为合流超几何函数形式.光束与相位全息光栅间的不对准会引起衍射光束质心的偏移,而且光束质心的偏移量随入射光束偏移距离和偏离角的增加而增加,与入射光束的偏移方向和方位角无关.角向倾斜时 关键词： 拉盖尔-高斯光束 相位全息光栅 横向偏移 角向倾斜     

多厄米-高斯子波束的传输特性研究

基于拉盖尔-高斯模和厄米-高斯模之间相互转换的关系,将拉盖尔-高斯涡旋光束展开成多厄米-高斯子波束,给出了模式转换关系的强度分布图。采用惠更斯-菲涅尔原理,推导了非傍轴条件下多厄米-高斯子波束在真空中传输时接收面处的场分布表达式。采用数值分析方法对真空传输过程中不同传输距离和拓扑荷下的多厄米高斯子波束的强度和相位分布进行了分析。结果表明:在短距离传输范围内,多厄米-高斯子波束在主扇位区域具有高光强能量集中,可以用于精确的光学操控。随着传输距离的增大,子波束场的等相位线由直线变为平滑的弧线。在远距离传输时,非傍轴近似多厄米-高斯子波束的相位变化远远小于傍轴近似拉盖尔-高斯光束的相位分布。由此可见,非傍轴近似条件下多厄米-高斯子波束更适合远距离传输。所研究的结果可为高拓扑荷、宽发散角拉盖尔-高斯涡旋光束的传输提供理论基础。     

拉盖尔-高斯光束在界面反射和折射的质心偏移特性研究

在圆柱坐标系中研究了傍轴线偏振拉盖尔-高斯光束在两种各向同性介质界面反射和折射后光强质心的偏移. 基于菲涅耳近似和泰勒级数展开,分别得到了部分反射和全反射两种情形下,质心的横向偏移和纵向偏移与光束拓扑荷的解析关系式. 研究表明,部分反射时,反射和折射光束的横向偏移的大小与光束的拓扑荷成正比,方向由拓扑荷的符号决定;而纵向偏移仅仅大小与光束的拓扑荷有关. 全反射时,反射光束质心偏移不受拓扑荷影响. 通过数值模拟验证了解析结果的正确性,并得到了解析公式的适用条件. 拉盖尔-高斯光束的质心偏移特性可应用于测量光 关键词： 拉盖尔-高斯光束 横向偏移 纵向偏移 拓扑荷     

球形粒子在聚焦拉盖尔-高斯光束中的散射特性研究

研究了球形粒子在聚焦拉盖尔-高斯光束中的散射特性. 根据广义Mie理论, 推导出球形粒子在聚焦拉盖尔-高斯光束中散射系数的解析公式. 针对光束的电场分布及粒子散射强度进行了数值仿真, 讨论了散射强度随散射角、散射球粒子半径和拓扑荷的变化特性, 并通过散射系数解释了散射强度分布的振荡现象. 结果表明, 在聚焦拉盖尔-高斯光束照射下, 球形粒子的后向散射强度随着粒子半径的增大而逐渐增大; 后向散射强度开始增大时对应的粒子半径与拓扑荷有关. 通过与高斯光束的对比, 可以看出球形粒子在聚焦拉盖尔-高斯光束中散射特性的差异, 使其在粒径测量、光通信和大气后向散射探测等方面具有潜在应用价值.     

拉盖尔高斯涡旋光束的传输

针对拉盖尔高斯涡旋光束,推导了其传输后目标平面上光电场的解析表达式,理论研究表明,传输一段距离后, 对于拉盖尔高斯光束的光斑大小的描述,高斯光斑尺寸已经不再适用.如果采用光强最亮处的半径来表示目标平面上的光斑大小则比较方便. 除了传输中的衍射导致光束展宽以外, 横截面上光束的相位分布也发生了独特的变化. 等相位线由原来的射线转化为弧线,拓扑电荷数为正时,弧线朝顺时针方向弯曲,拓扑电荷数为负时,弧线朝逆时针方向弯曲. 关键词： 涡旋光束 传输 光斑尺寸 相位分布     

平板式螺旋相位板的设计与应用

传统的螺旋相位板是一种利用沿方位角方向介质材料高度递增实现对光束相位调控产生涡旋光束的光学器件,由于这种特殊的几何结构特征使其不能通过相位板的叠加而调控出射光束所携带的角量子数.本文基于坐标变换方法将介质材料沿方位角方向折射率不变而高度递增的传统螺旋相位板变换为一种介质材料沿方位角方向高度不变而折射率递增的平板式螺旋相位板.通过理论分析与数值模拟,发现本文所设计的平板式螺旋相位板不仅与传统螺旋相位板一样能够产生高质量的涡旋光束,而且平板式螺旋相位板的高度和涡旋光束携带的角量子数可以根据介质材料的折射率选取而任意调节.为了实际应用的需要,可以通过叠加多层平板式螺旋相位板以获得不同角量子数的涡旋光束.这种平板式螺旋相位板在光传输、光通信等领域具有广阔的潜在应用价值.     

非傍轴矢量拉盖尔-高斯光束的二阶矩表示

基于Porras提出的光传输的非傍轴矢量矩理论，推导出初始圆偏振的非傍轴矢量拉盖尔-高斯(LG)光束的特征参数，包括束宽、远场发散角和M²因子等的公式，并表示为级数求和形式.非傍轴矢量高斯光束公式作为特例给出.研究表明，基于二阶矩定义的束宽按双曲线规律传输，当w₀/λ→0(w₀为束宽，λ为波长)时，远场发散角θ趋于90°，大于非傍轴标量理论预示的值63.435°.非傍轴矢量LG光束的M²因子不仅与模指数p有关，而且还与w₀/λ有关.最后，对非傍轴矢量LG光束和非傍轴标量LG光束的传输作了比较，结果表明在w₀/λ较小时，矢量效应对远场发散角的影响十分显著.对θ→90°引起的问题和非傍轴矢量矩理论的适用范围，以及解决问题的可能途径作了分析和讨论. 关键词： 非傍轴矢量拉盖尔-高斯光束 圆偏振 非傍轴矢量矩理论 光束参数     

大气湍流中光束束宽扩展和角扩展的比较研究

以厄米-双曲余弦-高斯（H-ChG）光束为例,对H-ChG光束通过大气湍流传输时的束宽扩展和角扩展做了详细研究.用相对束宽和相对角扩展代替束宽和角扩展来研究湍流对光束影响的灵敏程度.研究表明,折射率结构常数C²_n越小,光束束宽扩展和角扩展越小.有较大阶数m,n,较小参数Ω₀和束腰宽度w₀ H-ChG光束的角扩展受湍流影响较小.当传输距离足够远时,这一结论对H-ChG光束的束宽扩展也成立.当传输距离不长时,对H-ChG光束相对束宽随Ω₀和w₀的变化规律做了分析.用数值计算例做了说明,并对结果的正确性做了物理解释.厄米-高斯,双曲余弦高斯和高斯光束在大气湍流中的扩展可作为H-ChG光束的特例来处理. 关键词： 束宽扩展和角扩展 大气湍流 厄米-双曲余弦-高斯光束     

Rotation of laser beams with zero of the orbital angular momentum

We show that among the multitude of rotating light beams whose complex amplitude can be represented as a linear superposition of the Laguerre-Gaussian (LG) modes with definite numbers there are light beams with zero orbital angular momentum (OAM) and vice versa, multi-mode LG beams that show no rotation and are lacking the radially symmetric intensity distribution can possess the non-zero OAM. Also, we give examples of the rotating light beams with zero OAM, represented as a superposition of the Bessel and new hypergeometric modes. Using an SLM, we generate a rotating Bessel beam with zero OAM for the first time.     

Superpositions of Laguerre-Gaussian Beams in Strongly Nonlocal Left-handed Materials

We present beam solutions of the strongly nonlocal nonlinear Schrödinger equation in left-handed materials (LHMs). Different Laguerre-Gaussian (LG) necklace beams, such as symmetric and asymmetric single layer and multilayernecklace beams are created by the superposition of two single beams with different topological charges. Such superpositions are then propagated through LHMs, displaying linear diffraction. It is found that the superposition of two LG_nm beams with opposite topological charges does not show rotational behavior and that there exists rotation for other topological charge combinations. Our theory predicts that the accessible solitons cannot exist in LHMs.     

厄米-高斯光束在非Kolmogorov大气湍流中的传输性质

基于广义惠更斯-菲涅尔原理和非Kolmogorov(非K)谱,推导出了厄米-高斯光束在非K大气湍流中传输的束宽、角扩展以及M²因子的解析表达式.数值计算表明,在传输距离比较远(如z≥3 km)时,厄米-高斯光束的束宽、角扩展和M²因子随广义指数参量α的增大而增加直到α=3.11时达到最大值后再随α的增大而减小;随湍流的内尺度l₀的减小而增大;随外尺度l₀的增加而增大(3.6<α<4).但是当广义指数参量α在3<α<3.6区间取值时,束宽和M²因子几乎不随外尺度的增加而变化.     

光在Metasurface中的自旋-轨道相互作用

探讨了光在Metasurface中的自旋-轨道相互作用, 理论分析了Metasurface 对圆偏振和线偏振光的转换. 结果表明: 光与具有空间非均匀性和各向异性性的Metasurface的相互作用导致了自旋-轨道角动量的耦合. 采用Metasurface与螺旋相位片组合在一起进行了验证实验, 所得实验结果与理论分析完全一致. 这些结论有助于我们更加深入理解Metasurface 对光的操控.     

拉盖尔-高斯模叠加而成的部分相干光的相干涡旋

对Bogatyryova等人近来提出的一种可分离位相的部分相干光的相干涡旋作了详细研究.这类新的光束由相同角向指数的拉盖尔-高斯(LG)模非相干叠加而成.研究表明，叠加LG模式的模指数，权重因子和参考点位置的选择都会影响圆刃型位错出现的位置，使得涡旋消失或出现多个相干涡旋.而且，LG模叠加而成的位相不可分离的部分相干光也存在相干涡旋. 关键词： 奇点光学 一类新的部分相干光束 相干涡旋 圆刃型位错     

利用振幅光栅生成拉盖尔-高斯光束的实验研究

拉盖尔高斯(Laguerre-Gaussian,LG)光束由于其独特的相位结构和轨道角动量特性在微粒旋转操纵和信息处理等方面得到了越来越多的重视.对利用振幅型叉状衍射光栅产生LG光束进行了理论分析,采用计算全息图的方法制作了振幅型叉状衍射光栅,实验上获得了角量子数为±1的LG光束,并对光束变换过程中影响光束特性的主要因素进行了讨论. 关键词： 信息光学 拉盖尔高斯光束 计算全息光栅 光束轨道角动量     

Spatially-variable retardation plate for efficient generation of radially- and azimuthally-polarized beams

We investigate conversion of a linearly-polarized Gaussian beam to a radially- or an azimuthally-polarized doughnut (0, 1)^∗ Laguerre-Gaussian (LG) beams, performed with a spatially-variable retardation (SVR) plate. The SVR plate is composed of eight sectors of a λ/2 retardation plate, each one with different orientation of the to crystal’s slow axis. The analysis reveal that nearly-pure radially- or azimuthally-polarized LG(01)^∗ beam with M² = 2.2 can be obtained, while the transformation efficiency is 89.6%. In the experiments, performed with Nd:YAG laser, we transformed a Gaussian beam with M² = 1.3 to a radially- and azimuthally-polarized (0, 1)^∗ Laguerre-Gaussian beams with M² = 2.5. We carefully characterized the polarization state of the obtained radially- and azimuthally-polarized beams, measuring Stokes parameters. The polarization purity of the obtained beams, calculated from the measured data, was as high as 96%.