部分相干涡旋光束研究进展

涡旋光束具有螺旋波前、携带相位奇点和轨道角动量等物理特性,在粒子操控、量子信息、超分辨成像、光通信等领域具有重要的应用,并已成为学术界的研究热点。得益于相干光学理论的快速发展,将相干性作为新的自由度引入涡旋光束中,提出新型涡旋光束即部分相干涡旋光束。相较于完全相干涡旋光束,部分相干涡旋光束具有独特的物理内涵和光学特性,尤其是对其相干性和拓扑荷的联合调控会引发一系列奇特的新物理效应(如相干奇点、光束整形、偏振态转换、自修复等)。回顾了部分相干涡旋光束的基本理论及发展历程,着重对部分相干涡旋光束的理论模型、传输特性、实验产生、实验测量和应用基础研究进行了阐述。     

面向光纤通信多维复用的光场调控与传输技术

复杂光场通常是指相位、振幅和偏振等具有特殊分布的结构光场,包括以轨道角动量模式为代表的涡旋光场和以偏振态非均匀分布的矢量光场。利用复杂光场构建多维复用光纤通信系统已成为空分复用光通信技术的研究热点。介绍了通过光纤实现复杂光场产生、调控、传输的方法;简述了新型环形纤芯光纤在低复杂度、短距模式复用光纤通信系统中的应用;介绍了基于Q玻片的短距直接检测矢量模式复用光纤通信系统实验;简要分析了光纤光栅耦合模式转换法,以及利用少模光纤实现一阶和二阶轨道角动量模式的产生方案;同时介绍了利用一维和二维周期渐变相位光栅测量涡旋光场特性的技术方案。光纤损耗和模式串扰是限制基于复杂光场的模式复用光纤通信系统性能的关键因素;基于光纤产生和调控高阶复杂光场仍然具有很大的挑战性。复杂光场模式复用技术作为一种基于光纤本征模式的复用技术,与其相关的研究在未来超大容量模式复用光纤通信系统中具有重要的研究意义和潜在的应用价值。     

长周期多芯手征光纤轨道角动量的调制

基于矢量模式耦合理论,在多模光纤中引入手性耦合纤芯结构,设计了一种光纤型光轨道角动量调制器.使用单根光纤,无需施加扭转或应力,可以实现任意光轨道角动量的调制.通过理论分析与数值仿真,研究了不同结构参数对轨道角动量模式纯度、传输损耗和有效折射率的影响.在中心纤芯和旁纤芯传播常数不变的前提下,旁纤芯数量对损耗影响较大,通过相位匹配条件计算得到的螺距可以在一定数值范围内浮动变化,两种纤芯的间距受限于模式损耗和光纤集成度.     

华北大地涡旋电流现象机理及对管道管地电位影响

一维分块大地周围的特定电性结构能够在该分块大地中产生涡旋电流。通过反演等效电流源并根据实际地形构造大地电性模型, 分析了涡流处的等效电流和电性结构对其特性的影响, 揭示了该特定区域中产生涡流并使得涡流移动的机理; 对铺设在该区域中的输油管道给出了管地电位(PSP) 的分布特征。计算得到的管道PSP与实际监测得到的管道PSP分布规律的一致性表明了涡旋电流能够加重地磁扰动对管道的影响。     

径向阵列涡旋光束在大气中的传输与扩展

在高能激光合成、空间光通信及其他激光工程中的潜在应用方面,阵列涡旋光束逐渐受到人们的关注。基于多重相位屏的数值方法,研究阵列涡旋光束在von Karman湍流中的传输特性,分析了光场的演化情况。结果表明:光束传输一段距离后发生融合,融合后的光束拓扑荷与初始光场中子光束的拓扑荷相同。考虑到光斑扩展会导致拓扑荷的损失进而使得通信效率下降,分析了不同湍流和光束参量对光束相对束宽的影响。湍流强度对相对束宽影响较大,拓扑荷等其他参量均对其有不同程度的影响,相对于单束涡旋光,阵列光束具有更小的相对束宽。     

贝塞尔高斯涡旋光束在大气湍流中的传输特性

为了探测更高轨道的空间目标,研制了一台通光口径为Ф750 mm的望远镜.该望远镜为主焦点光学系统,由一片二次非球面反射元件和四片透射元件组成,具有大视场(4°),大相对孔径(1∶1.32)和宽光谱(500~800 nm)的特点.本文以该望远镜的研制为基础,介绍了其光学系统各个元件的单独检测和系统装调完成后的整体检测方法和过程.采用样板法对系统中的球面透射元件进行了单独检测,采用透射无像差补偿器法对二次非球面反射镜进行了单独检测,采用反射无像差补偿器法对组合起来的透射校正镜组进行了检测,并且对系统装调对准之后的光学系统进行室内平行光管和室外对星观测两种方法进行检测.测量结果均满足设计要求,其中球面透镜的面形误差小于0.1个光圈,反射元件和透射元件非球面表面的面形误差均优于λ/30(λ=632.8 nm),透射校正镜组的波像差优于λ/30(λ=632.8nm).光学系统整体检测结果表明,室内和室外检测结果一致,其像面的80% 能量集中度直径在4°的全视场范围内均小于2个像元,达到了设计的成像要求.     

Tight focusing of axially symmetric polarized vortex beams

Tight focusing of axially symmetric polarized vortex beams is studied numerically based on vector diffraction theory. The mathematical expressions for the focused fields are derived. Simulation results show that the focused fields and phase distributions at focus are largely influenced by both the polarization order and topological charge of the incident beams. Moreover, focal spots with flat-topped or tightly-focused patterns can be flexibly achieved by carefully choosing the polar- ization order and the topological charge, which confirms the potential of such beams in wide applications, such as optical tweezers, laser printing, lithography, and material processing.     

用类比法讨论平面涡旋电场的分布

利用类比方法引入计算平面涡旋电场强度的一般表达式．举例计算了圆形、短形域时变磁场激发的涡旋电场．     

基于反射超表面的偏馈式涡旋波产生装置

由于具有拓宽信道的能力,携带轨道角动量的涡旋电磁波已经受到越来越多学者的研究.目前,基于反射式涡旋波发生装置仍然存在两个问题需要解决:1)馈源的遮挡;2)由馈源和反射表面所引起的交叉极化分量.本文提出了一种基于超表面的偏馈式涡旋波产生装置,该装置包括超表面反射阵和非正对区域放置的天线馈源.本文主要贡献为以下三方面:1)...     

部分相干啁啾光学相干涡旋晶格在生物组织湍流中的平均光强与光谱位移

本文研究了部分相干啁啾光学相干涡旋晶格在生物组织湍流中的平均光强和光谱位移,详细探讨了单色光场中的光学晶格结构和多色光场中的光谱快速跃迁特性.研究表明:在生物组织湍流中,光束从具有涡旋核的环形结构演变为具有暗区的周期阵列结构,最后呈类高斯图样.尽管晶格常数能调制光束结构,但它不影响光束在生物组织湍流中的光谱跃迁行为.光...