利用灰度掩膜光刻技术制备螺旋相位片

螺旋相位片(Spiral phase plate简称SPP)是产生轨道角动量光束的一种重要光学器件,在光束调控、量子信息等领域有着重要应用.本文提出了一种基于计算机打印灰度掩膜的螺旋相位片的加工方法,详细讨论了SPP设计方法和光刻工艺,并实验制作了拓扑电荷为3的螺旋相位片,利用马赫-策德尔干涉仪实验对SPP产生涡旋光束进行了检测,获得良好的螺旋相位干涉图.本文的研究结果为低成本、高质量、高效率的螺旋相位片加工技术提供了一种有用途径.     

利用改进的螺旋相位板产生强度调制光学涡旋

从理论上分析了具有相位调制偏差的螺旋相位板所产生光场的涡旋特性,发现涡旋场主环上存在周期性的强度调制,而且中心有一亮斑,这一亮斑严重影响了调制涡旋场的质量;为了产生高质量的调制涡旋场,提出了一种改进的螺旋相位板,利用这种螺旋相位板产生的涡旋场在衍射过程中依然保持了很好的强度调制特性,实验结果和理论分析相吻合.     

利用环形螺旋相位板产生高质量光学涡旋

通过分析理想的涡旋光场——拉盖尔-高斯光束,提出一种确定螺旋相位板的最佳结构参数的方法,模拟结果和实验结果均验证了此种方法的可行性.这为设计衍射光学元件提供了一定的理论基础和实验基础,在束缚粒子等方面有一定应用前景.     

涡旋光束的轨道角动量分析

通过对二元多阶螺旋相位板的输出光场的轨道角动量计算分析,得出了拓扑荷取整数时输出主光学涡旋最大轨道角动量及次轨道角动量的条件.分析了当轨道角动量取非整数值时每个因子的密度分布及控制光束结构的Gouy相位因子的取值情况.     

光涡旋阵列位移测量模拟

将光学涡旋点阵与电子散斑干涉技术相结合,提出了一种基于涡旋光干涉特性测量物体离面位移的新方法.利用三束光干涉产生光涡旋点阵作为物光,模拟了物体变形前后与平面波干涉的图样.推导得出光流场运动矢量场与干涉图样条纹频率、变形相位场之间的关系.模拟计算得到的三维位移相位场与理论值相吻合.模拟结果表明,光学涡旋点阵用于物体变形的测量,提高了测量灵敏度,为相位测量提供了新方法.     

透镜与相位板在马赫-曾德涡旋光干涉中的影响分析

马赫-曾德干涉仪是产生干涉光与涡旋光的重要器件。为形象展示干涉图样并分析相位板与聚焦透镜对光场性能的影响,应用Virtual Lab软件进行模拟分析,在光路中分别加入不同数量的竖直条纹相位板与径向螺旋相位板,并通过聚焦透镜对干涉光相位进行调节。结果表明,在引入竖直条纹相位板后,相位板数量越多,干涉条纹间距越大,聚焦透镜可以将条纹相位分布转换为圆环相位分布。在引入一块拓扑荷值l=10的螺旋相位板后,干涉条纹成为树杈型场分布和相位分布。在此基础上,引入第2块相位板,干涉图样成为涡旋干涉场,经透镜聚焦,干涉场相位分布均为涡旋状。     

多束涡旋光波串扰分布失真的相位补偿研究

使用空间分集技术可以提高自由空间光通信的抗大气湍流能力,研究通过空间分集来提高探测涡旋光束拓扑荷数的可行性.涡旋光波穿过大气湍流会形成轨道角动量模式间的串扰,空间分集配置的多束涡旋光波也会引入倾斜相位而引起串扰分布的失真.为了去除因光束倾斜导致的串扰分布失真,对接收光波进行相位补偿,以此来重建涡旋光束的涡旋相位.采用光波传输计算机仿真,模拟了大气湍流对串扰分布的影响和倾斜相位导致的串扰失真.通过相位补偿去除倾斜相位影响,发现多光束配置可以明显改善串扰分布失真,提高检测涡旋光束拓扑荷数的准确性.     

平面涡旋光叠加形成复合涡旋的理论分析

复合涡旋可以通过不同的光学涡旋叠加产生,通过两束平面涡旋共线叠加,对两束平面光学涡旋的叠加作了理论分析.讨论了不同情况下复合涡旋中心的分布情况,通过几何解析法找到了涡旋核重合的两平面涡旋叠加后的复合涡旋中心,从理论上得出,这种叠加方式可以得到圆对称分布的复合涡旋.     

基于螺旋相位滤波的图像边缘增强研究

阐述螺旋相位滤波实现图像边缘增强的原理及其国内外研究现状,分析几种螺旋相位实现边缘增强效果,同时对螺旋相位滤波器的应用发展趋势进行展望.     

平面波斜入射空间光调制器对产生完美涡旋光束的影响

研究了平面波斜入射空间光调制器(SLM)时完美涡旋光束的变化。结合螺旋相位与锥透镜透过率函数设计相位掩模板,在SLM的傅里叶平面上产生完美涡旋光束。所产生的涡旋性质通过调控完美涡旋光束±1级干涉得到了验证。改变平面波照射在SLM上的入射角,完美涡旋光束离心率与平面波入射角为线性函数关系,相关系数高达0.986 72。此外,随着平面波入射角增大,完美涡旋光束总光强也随之变弱。     

Spiral forces established by optical phase singularities

The spiral forces of phase singularities are demonstrated experimentally and numerically by presenting the generation and propa-gation dynamics of multiple optical vortices embedded in a Gaussian beam. The results reveal that the energy flow established by certain phase singularity will perform the characteristics of force on other singularities whose direction is determined by the sign of the topological charge. The force is confirmed by the fluid-like motions of multi-vortex beams, i.e. singularities undergo rotation (annihilation) with each other when they involve identical (opposite) topological charges. This force mechanism may help develop an intuitive understanding of multi-vortex motion and presents a new viewpoint from which to study the dynamics of singularities     

Laser beams: knotted threads of darkness

Destructive interference may lead to complete cancellation when light waves travelling in different directions cross, and in three-dimensional space this occurs along lines that are vortices of electromagnetic energy flow. Here we confirm theoretical predictions by experimentally creating combinations of optical laser beams in which these dark threads form stable loops that are linked and knotted.     

高斯涡旋光束在ABCD光学系统中的传输

 为了研究高斯涡旋光束在ABCD 光学系统的传输演化规律,基于广义惠更斯菲涅耳积分公式,推导了拓扑荷为+1 的高斯涡旋光束经ABCD 傍轴光学系统传输的解析表达式,并数值模拟和分析高斯涡旋光束在自由空间传输中4 个观察平面上的光强分布和相位分布的特点.结果表明:随着传输距离的增加,高斯涡旋光束的光斑尺度明显增大,但光强也随之减小;同时从相位奇异点发出的等相位线由射线变成弧线,最终形成螺旋线结构.     

相位差法测量激光束频率稳定度的研究

本文提出一种测量激光束频率稳定度的新方法(相位差法),采用光外差技术,测量两光束的光程不同而引起的相位差,在所设计的光路中,激光管的频率变化将使两光束的相位差随着变化,从而使本方法得以实现。本文从理论上推导了激光管的频率稳定度△f/f_0与两光束相位差的变化之间的关系,叙述了实验装置,进行了比对测试,理论与实验都得到了一致的结果。     

非相干LED光源产生高阶Bessel光束

首次采用单色LED绿光光源得到较理想的高阶Bessel光束,提出由交叉谱密度和多波长叠加理论计算出绿光LED发出的光经过螺旋相位板和轴棱锥后的光强分布,模拟出沿轴向不同距离处的截面光强分布图,设计一套实验装置进行实验验证,结果表明:通过光阑提高光场的空间相干性可以用绿光LED得到近似高阶Bessel光束,所得光束的截面光强分布,中心暗斑大小及最大无衍射距离均与理论计算相符.研究结果对非相干光实现粒子微操作提供理论和实验依据.     

强流脉冲束非线性传输的李代数分析

以磁四极透镜为例,用李代数方法分析强流脉冲的非线性传输。粒子在六维相空间中的分布取K-V分布。首先算出束流的空间电荷势,进而可以得到包含束流自场的粒子运动的Hamilton函数。再施加李变换,就可以得到粒子运动的各级近似解。给出二级近似下的结果,根据需要,还可以扩展到更高级近似。计算过程需要进行迭代,即根据每次算出的轨迹值,确定束团在三维实空间中的大小,然后计算束流的空间电荷势,再计算进粒子的轨迹。如此迭代,直到满足精度为止。     

Spanwise flow and the attachment of the leading-edge vortex on insect wings

The flow structure that is largely responsible for the good performance of insect wings has recently been identified as a leading-edge vortex. But because such vortices become detached from a wing in two-dimensional flow, an unknown mechanism must keep them attached to (three-dimensional) flapping wings. The current explanation, analogous to a mechanism operating on delta-wing aircraft, is that spanwise flow through a spiral vortex drains energy from the vortex core. We have tested this hypothesis by systematically mapping the flow generated by a dynamically scaled model insect while simultaneously measuring the resulting aerodynamic forces. Here we report that, at the Reynolds numbers matching the flows relevant for most insects, flapping wings do not generate a spiral vortex akin to that produced by delta-wing aircraft. We also find that limiting spanwise flow with fences and edge baffles does not cause detachment of the leading-edge vortex. The data support an alternative hypothesis-that downward flow induced by tip vortices limits the growth of the leading-edge vortex.     

光外差干涉磁盘表面粗糙度测量仪

根据外差干涉计量术的原理,研制了非接触式的光外差干涉磁盘表面粗糙度测量仪.其垂直分辨率小于1nm,横向分辨率为2μm,对标准样板和计算机磁盘表面的测量结果也很令人满意.     

矢量光束和空间偏振转化器件的矩阵分析

琼斯矢量和琼斯矩阵是分析光束偏振态和光学元件时广泛使用的一种数学工具．本文将琼斯矢量和琼斯矩阵的矩阵元素从常量扩展为与方位角相关的变量,用以描述矢量光束和空间偏振转化器件．探讨了组合半波片和组合偏振片对基模高斯光束和螺旋光束的变换作用,提出了生成矢量光束的新方法和检测螺旋光束轨道角动量的新方法．