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...     

涡旋光束的产生与干涉

分别从理论上和实验上研究了涡旋光束的产生和干涉现象.理论上分析了分数阶和整数阶涡旋光束同球面波以及平面波的干涉情况,并从实验上得出了其干涉图形.实验结果和理论模拟基本上一致.研究表明,随着涡旋光束拓扑荷数的变化,干涉图形也会产生变化.这一现象可用于测定分数阶涡旋光束的拓扑荷数.     

完美Lommel光束的产生

引入了一种新型完美涡旋光束——完美Lommel光束（PLBs）。首先给出了产生这种光束的理论机制,然后构建实验系统来产生PLBs。实验主要分为两步：第一步是利用罗曼迂回相位编码法产生高质量Lommel光束;第二步是将生成的Lommel光束经傅里叶变换后产生PLBs。产生的PLBs的环半径不受拓扑荷值的影响,并可通过阶数、不对称参数的模和角度三个参数来调控PLBs的分布,这意味着PLBs是一种具有三个自由度的三参量完美涡旋光束。     

基于空间光调制器和深度学习的涡旋光束产生

基于传统Gerchberg-Saxton(GS)算法和卷积神经网络(convolutional neural network,CNN),提出了一种利用液晶空间光调制器(LC-SLM)产生涡旋光束的方法.利用该GS-CNN方法,产生了具有不同拓扑电荷数的贝塞尔光束,进一步分析了所产生的涡旋光束的均方根误差(root me...     

偏振方向对涡旋光束产生的影响

在利用液晶空间光调制器(LCSLM)产生涡旋光束时,入射光的偏振方向对涡旋的产生有着明显的影响。从液晶空间光调制器的工作原理出发,研究了不同偏振方向的线偏振光在通过LCSLM的相位调制后,涡旋光束产生的变化。通过模拟仿真与实验结果的比较,发现随着线偏振光的偏振方向与液晶分子光轴夹角的增大,液晶空间光调制器的调制误差变大,所产生的涡旋光束的质量变差。当夹角大于4.725°时,涡旋光束的质量明显变差。而随着夹角继续增大,LCSLM对入射光的调制作用减弱,无法产生涡旋光束。     

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.     

利用柱透镜调控涡旋光束的拓扑结构

提出了一种利用柱透镜调控涡旋光束拓扑结构的方法.利用计算全息法制作的叉形光栅掩模板,实验获得了具有不同拓扑荷的涡旋光束,分析了涡旋光束通过柱透镜变换后的强度和相位分布.结果表明,涡旋光束经柱透镜变换后,其拓扑荷符号将发生改变,并且高阶涡旋光束退化为多个分离的一阶涡旋光束.利用高阶激光模式的线性叠加特性以及古依相移对实验结果进行了理论解释,并通过数值模拟对实验结果进行了验证.     

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。     

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。     

完美涡旋光束在大气湍流中的斜程传输特性

完美涡旋（POV）光束具有光束半径与拓扑荷数无关的特点,与其他涡旋光束相比具有更加稳定的空间强度分布特性。利用多相位屏法和傅里叶变换法,分析了POV光束在大气湍流中的斜程传输特性。采用光束漂移和孔径平均闪烁指数作为大气湍流影响光束质量的评价参数,对比了POV光束与高斯涡旋光束在相同传输条件下的光束质量。结果表明：相比于高斯涡旋光束,POV光束的光束稳定性更好。当拓扑荷数增大或天顶角减小时,POV光束抵抗大气湍流的能力增强。在不改变POV光束拓扑荷数的前提下增大其光束半径,也能提高POV光束对大气湍流的抵抗能力。     

基于Pancharatnam-Berry相位调控产生贝塞尔光束

提出了一种基于Pancharatnam-Berry相位设计制作的超表面平面轴棱锥透镜产生贝塞尔光束的方法.理论分析表明:由于Pancharatnam-Berry相位的自旋相关性,设计的平面轴棱锥透镜需采用左旋圆偏振光入射才能有效地产生贝塞尔光束.超表面微结构单元的旋转率与最大无衍射距离成反比,这提供了一个获得更大无衍射距离的方便的途径.最后,搭建了一套基于平面轴棱锥透镜的贝塞尔光束产生系统,实验结果与数值模拟结果一致.这些结论有助于设计制作更多新颖的基于Pancharatnam-Berry相位的平面光子学器件.     

超高斯涡旋光束在空间中的传输特性

研究了超高斯涡旋光束光强最大值、光斑半径以及环围能量半径等参数随传输距离和拓扑荷数的变化规律,并与高斯涡旋光束做了比较,结果表明：超高斯涡旋光束的光斑半径和环围能量半径随拓扑荷数及传输距离呈近似线性关系;对同一拓扑荷数和传输距离,高斯涡旋光束的能量较超高斯涡旋光束要发散;当拓扑荷数较大时,超高斯涡旋光束的光斑半径比高斯涡旋光束更大。针对光束质量研究了广义光束质量因子随传输距离和拓扑荷数的变化,结果表明传输距离足够远时,拓扑荷数较小的超高斯涡旋光束具有更好的光束质量。     

利用非传统螺旋相位调控高阶涡旋光束的拓扑结构

本文提出一种利用非传统螺旋相位调控高阶涡旋光束拓扑结构的方法.数值模拟并实验研究了具有不均匀旋转梯度的非传统螺旋相位对高阶涡旋光束的调控行为.结果表明, 携带有非传统螺旋相位的高阶涡旋光束在传输过程中, 将退化为沿一条直线排列的多个一阶相位奇点, 并且, 这种非传统螺旋相位对高阶涡旋光束的调控特性, 可抑制相位噪声等扰动所引起的拓扑结构随机退化现象.本文的结论为涡旋光束拓扑结构的调控提供了一种可行的新途径, 在基于涡旋光束的光学通信、光学操控等方面具有潜在应用.     

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。     

自由曲面光束调控Monge-Ampère方法研究进展

自由曲面具有灵活的面形结构,用于光束调控可获得高性能、轻小型的系统,可创造新的结构形式和实现新的光束调控功能。自由曲面光束调控是一个根据输入和目标反求光学自由曲面的逆问题。Monge-Ampère(MA)方法基于理想光源近似,将自由曲面光束调控逆问题转化成一个带有非线性边界条件的MA方程。MA方法无需预先给定光线落点位置,而是通过控制曲面的高斯曲率分布来实现对光传输的高效灵活调控,被认为是当前最有效的可自动满足曲面连续性可积条件的自由曲面设计方法。对MA方法的研究进展进行了概述,详细介绍了自由曲面光束强度调控模型,以及自由曲面光束强度和波前同时调控模型的构建过程与求解方法,并通过三个设计实例充分展示了各类光束调控模型的有效性和MA方法的优势。     

部分相干涡旋光束叠加场中的合成相干涡旋及其动态传输

对由两束平行、离轴部分相干平顶涡旋光束叠加形成的合成相干涡旋做了详细研究.结果表明:合成相干涡旋的数目和位置与光束阶数、相对离轴距离、相干参数以及相对传输距离有关.在部分相干范畴内“隐藏”的合成相干涡旋对应于完全相干范畴中的合成光涡旋.并且证明在相干极限下合成相干涡旋就演化为合成光涡旋. 关键词： 相关奇点光学 合成相干涡旋 部分相干平顶光束 离轴合成     

部分相干涡旋光束形成的相干涡旋特性研究

推导出部分相干涡旋平顶光束的传输解析公式,并用以研究了聚焦场和自由空间中部分相干涡旋光束形成相干涡旋的特性.结果表明,相干涡旋与光束阶数N,空间相干参数α和参考点位置(x1,y1)有关.依赖于参考点的选择,光谱相干度可能存在零值点,也可能没有零值点.特别是,若选取x1=y1=0,光谱相干度零值点处的位相可以是确定的,因而不存在相干涡旋.     

基于Metasurface的轨道角动量光束的产生与调控

提出了一种基于metasurface产生与调控轨道角动量光束的新方法。光场在偏振态的演变过程中可以获得附加的Pancharatnam-Berry(PB)几何相位。因此,可以通过调控光场的偏振态获得所需相位。所构造的metasurface具有空间变化的光轴分布,能够精确地操控光束的偏振态。当metasurface的光轴方向在方位角方向连续变化时,就能产生与方位角坐标相关的PB相,也就是涡旋相。该相位可以用来产生轨道角动量光束,也可以用来操控涡旋光束的轨道角动量。实验结果验证了这种方案的可行性。所得到的结果为轨道角动量光束的产生及光束的轨道角动量调控提供了一种新方法,对基于轨道角动量光束的量子通信和光学微操控等也有应用价值。     

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.