基于拉盖尔-高斯光束的单光子捕获理论研究

基于TEM₁₀模拉盖尔-高斯光束,推导自由空间量子密钥分配中单光子捕获概率表达式。针对低轨卫星-地面站间激光链路进行单光子捕获分析。结果表明：采用可高度衰减激光脉冲的TEM₁₀模拉盖尔-高斯光束作为单光子源,单光子捕获采用前驱波参考脉冲设置时间窗口的方法,可使卫星上接收机以最大概率捕获光子。与基模高斯光束相比,采用TEM₁₀模拉盖尔-高斯光束的优点是,不会由于卫星运动而增加单光子捕获概率的损耗。     

基于拉盖尔-高斯光束的单光子捕获概率研究

单光子源通常采用基于高斯光束的高度衰减激光脉冲,假设激光束具有初始高斯时域脉冲波形和TEM01模拉盖尔-高斯空域分布.基于折射率起伏的Rytov近似和修正von Karman谱模型,研究了大气湍流对星地量子通信单光子捕获概率的影响;建立了上行信道和下行信道的单光子捕获概率理论模型;针对低轨卫星-地面站间激光链路,对单光子捕获概率进行了分析.结果表明:上行信道的单光子捕获概率强烈依赖于地面折射率结构常数C2n(0),且随着C2n(0)的增加而减小;然而,下行信道的单光子捕获概率并不依赖于C2n(0),即大气湍流对其没有影响.     

拉盖尔-高斯光束的近场矢量结构特征

直接以麦克斯韦方程组的解表征拉盖尔-高斯光束。基于麦克斯韦方程组解的矢量角谱表述和电磁光束的矢量结构理论,利用一些数学技巧导出了拉盖尔-高斯光束的TE项和TM项在近场的解析表达式。利用所导出的公式,在近场描绘了拉盖尔-高斯光束的TE项、TM项及整个光束的光强分布。并对角度依赖分别为余弦和正弦关系的拉盖尔-高斯光束的矢量结构进行了比较,结果显示两者整个光束的光斑完全相似,唯一的区别是子瓣的空间方位不同且两者的内部矢量结构完全不相同。     

拉盖尔-高斯光束的近场矢量结构特征

直接以麦克斯韦方程组的解表征拉盖尔-高斯光束。基于麦克斯韦方程组解的矢量角谱表述和电磁光束的矢量结构理论,利用一些数学技巧导出了拉盖尔-高斯光束的TE项和TM项在近场的解析表达式。利用所导出的公式,在近场描绘了拉盖尔-高斯光束的TE项、TM项及整个光束的光强分布。并对角度依赖分别为余弦和正弦关系的拉盖尔-高斯光束的矢量结构进行了比较,结果显示两者整个光束的光斑完全相似,唯一的区别是子瓣的空间方位不同且两者的内部矢量结构完全不相同。     

线偏振拉盖尔-高斯光束的远场发散特性

利用稳相法和矢量结构理论, 导出了线偏振拉盖尔-高斯光束的矢量结构项TE项和TM项在远场的解析表达式. 进而利用TE项和TM项的远场能流分布, 给出了TE项和TM项的功率占总功率比例的度量式,同时还给出了线偏振拉盖尔-高斯光束、TE项和TM项三者远场发散角的解析式以及三者远场发散角间的关系式. 所得到的公式不仅适用于傍轴情形,而且还适用于非傍轴情形. 通过数值计算, 分析了TE项和TM项在远场的功率占总功率的比例与参数f和模数间的依赖关系;还分析了拉盖尔-高斯光束、TE项和TM项的远场发散角随参数f、模数和线偏振角的变化关系.这一研究从矢量结构本性揭示了线偏振拉盖尔-高斯光束的远场发散特性, 丰富了对其传输特性的认识.     

拉盖尔-高斯光束傍轴度的变化

以拉盖尔-高斯(L-G)光束为例,详细研究了单色光束傍轴度的变化.结果表明,模指数、相对束腰宽度等光束参数的变化,通过近轴ABCD光学系统的传输,以及光阑衍射都会引起光束傍轴度的变化.但是,在自由空间中传输时,光束的傍轴度不变.对上述结果以数值计算例加以说明,并用光束傍轴度与远场发散角间的联系做了物理解释. 关键词： 傍轴度 远场发散角 拉盖尔-高斯光束     

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     

相位片角向衍射产生拉盖尔-高斯光束的实验研究

设计了一种角向分布的相位片,利用离子束刻蚀技术加工成0和π二级的相位片.利用角向衍射理论对相位片的衍射场分析表明,衍射场为拓扑指数相反的两束拉盖尔-高斯光束的叠加场.用直径为4 mm的近平行光照射相位片,获得径向指数为零,拓扑荷相反的叠加拉盖尔-高斯光场.采用较大孔径的光束入射时,仍为拓扑荷相反的两束光的叠加,但径向指数会发生变化. 关键词： 信息光学 拉盖尔-高斯光束 相位片 离子束刻蚀     

利用液晶空间光调制器产生高阶拉盖尔高斯光束

本文采用反射式纯相位液晶空间光调制器产生了实验需要的高阶拉盖尔高斯光束。理论上详细计算了生成高阶拉盖尔高斯(Laguerre-Gaussian)光束的最优参数选择,用MATLAB编写程序,制作产生高阶LG光束的相息图。通过CCD采集图像数据,观测了以平面波入射生成拉盖尔高斯光束的强度分布,并利用干涉法验证了产生高阶拉盖尔高斯光束的螺旋相位分布。在此基础上,对实验测得一维强度轮廓进行拟合分析并估算了实验产生LG光束的纯度。     

拉盖尔-高斯幂指数相位涡旋光束传输特性

为实现光折射率传感器小结构、高灵敏度的要求,根据表面等离极化激元的透射特性,提出了一种单挡板金属-介质-金属（MIM）波导耦合类云朵腔结构。此结构引用“腔中腔”的理念,在近场耦合作用下,类云朵腔所形成的较宽的连续态与金属挡板所形成的较窄的离散态经过干涉相长相消,可以产生三重不同模式的法诺共振。结合耦合模理论,对三重法诺共振的产生机理进行分析,并运用有限元分析法对此结构进行模拟仿真,定量分析了不同结构参数对折射率传感特性以及优质因子的影响。结果表明,三种共振模式的灵敏度分别为600,800,1083 nm/RIU,优质因子分别为5.08×10⁴、3.56×10⁵和1.17×10³。     

两种非球形细胞光镊阱力标定方法的比较

玻尔兹曼统计法和均方位移法是两种可用于对非球型生物细胞在简谐光势阱中光阱力的标定方法. 用数字实验对这两种标定方法进行了比较, 结果表明： 与均方位移法相比,玻尔兹曼统计法不仅适用于各向异性非球性细胞,也适用于非简谐、非对称光势阱中任意形状的生物细胞光阱力的标定,结论与已有直接实验相符.     

Resolving Discrepancy between Theoretical and Experimental Optical Trapping Forces Using Effects of Beam Waist and Trapping Position Displacement due to Gravity

Optical trapping forces of polystyrene microspheres are analyzed both theoretically and experimentally, and comparisons are made between the two. Discrepancies are mainly caused by straight-ray approximation for axial trapping, and by trapping-position vertical displacement due to gravity for transverse trapping.     

Analytically vectorial structure of an apertured Laguerre-Gaussian beam in the far-field

Based on the angular spectrum representation of an arbitrary electromagnetic beam and the method of stationary phase, an analytically vectorial structure of an apertured Laguerre-Gaussian beam in the far-field has been derived without any approximation. The analytical expressions of the energy flux of the TE term, the TM term, and the apertured Laguerre-Gaussian beam are also presented in the far-field, respectively. The energy flux distributions of the TE term, the TM term, and the apertured Laguerre-Gaussian beam are numerically demonstrated in the far-field reference plane. The influences of the f-parameter, the truncation parameter, the radial and angular mode numbers, and the dependent relation of angle on the energy flux distributions in the far-field of the TE term, the TM term, and the apertured Laguerre-Gaussian beam are also discussed in detail.     

均匀椭球粒子对拉盖尔-高斯光束的散射特性研究

基于广义Mie理论, 研究了椭球粒子对在轴入射的拉盖尔-高斯光束的散射特性. 通过局域近似法求解椭球坐标系中的波束因子, 计算得到了波束因子之间满足的普遍关系. 对散射强度随椭球粒子不同尺寸参数和扁圆程度的变化特性进行了数值计算, 并针对不同拓扑荷时的散射强度进行了对比分析. 结果表明: 当椭球粒子尺寸在与入射光波长可比拟的范围内变化时, 散射强度随尺寸参数的增大而增大, 随椭球长短轴之比和拓扑荷的增大而减小. 本文的理论研究能够为拉盖尔-高斯光束在粒径测量、大气激光通信、 大气遥感等领域的应用提供更准确的粒子模型和参考价值. 关键词： 椭球粒子 拉盖尔-高斯光束 波束因子 散射强度     

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.     

高斯波束对界面附近离轴球形粒子的轴向声辐射力

从声波的散射理论出发,利用级数展开法得到高斯波束的波束因子,推导其对阻抗边界下离轴球形粒子声辐射力.针对刚性球与液体球两种球形粒子进行数值模拟,与自由空间的情况进行比较.讨论边界反射系数、粒子与边界距离、束腰半径以及离轴角度与距离等对声辐射力的影响.仿真结果表明：边界反射系数的增大会引起声辐射力的增加,但不改变峰值的位置;在合适的频率处,可以产生负向声辐射力;声辐射力随粒子与边界距离呈周期性变化;束腰半径的影响主要体现在中高频;随着粒子偏离传播轴的距离和角度增大,声辐射力明显衰减.该研究为利用高斯波束实现对粒子的操纵提供理论基础.     

双层介质球体所受光作用力的分析与计算

计算了双层介质球体的光作用力.结果表明,双层结构内外层相对折秧经和相对厚度的变化都将影响光作用力的大小.特别是当内层折射率大于外层折射率时,减小内层半径可得到一较小区域,在此区域光镊系统刚度将得到有效提高,可实现对双层介质球体的稳定束缚;而当内层折射率小于外层折射率时,随内层半径的减小,介质小球可能有两个稳定平衡点出现.