高斯涡旋光束的动量及轨道角动量与拓扑电荷数的关系及其在自由空间中的传输

将近轴光束理论应用于光束的动量及轨道角动量研究,推导了涡旋光束动量以及轨道角动量的解析表达式,在此基础上,对高斯涡旋光束的动量及轨道角动量的分布及其在自由空间中的传输进行了研究.理论分析及数值计算表明,动量的径向分量和角向分量在数值上比较接近,远小于动量的纵向分量,随着传输距离的增大,动量的三个分量在观测平面上的分布会逐渐沿径向拓展,其在观测平面上的极大值位置各不相同,都与源平面上光束的拓扑电荷数和束腰半径有关,观测平面上的整体积分表明,动量的三个分量在传输中都保持守恒;另外,观测平面上高斯涡旋光束轨道角动量的分布在传输中也会沿径向拓展,其在观测平面上的极大值位置与动量的纵向分量相同.观测平面上的整体积分证实了高斯涡旋光束在传输中轨道角动量保持守恒.     

单轴晶体中杂化偏振矢量涡旋光场的传输特性

为了实现光场的偏振态调控,对拥有复杂偏振态分布的杂化偏振矢量涡旋光场在单轴晶体中垂直于光轴的传输特性展开研究.基于光束在各向异性单轴晶体中的傍轴矢量传输理论,推导出杂化偏振矢量涡旋光场在单轴晶体中传输的具体表达式.通过数值模拟,得出了不同参数下杂化偏振矢量涡旋光场在单轴晶体中传输的演变规律.结果表明,光束半径、传输距离以及单轴晶体的e光和o光折射率比值对杂化偏振矢量涡旋光场在单轴晶体中的强度分布、偏振态分布、自旋角动量分布以及涡旋相位分布有调节作用.光束半径越小,传输距离越大,单轴晶体的各向异性强度越大,则对杂化偏振矢量涡旋光场的传输特性影响越大.     

光阑对暗中空涡旋光束轨道角动量的影响

基于推广的复高斯函数展开法,分析了具有轨道角动量的拉盖尔-高斯(Laguerre-Gaussian,LG)光束通过含光阑光学系统传输的解析公式,理论推导了空心LG光束在柱坐标系下光子轨道角动量密度函数及其态矢.对1阶LG涡旋光束通过光阑后的光场分布情况进行了数值分析,在两种典型含光阑系统物理模型下分析了遮拦比对不同波长LG光束传输特性的影响,研究了LG光束通过光学系统后的相位分布及轨道角动量密度变化.结果表明,光阑系统遮拦比对LG涡旋光束通过光阑后的传输特性的影响因光束波长不同而异,遮拦比对光束轨道角动量密度影响较大,对光束束径及光轨道角动量影响不明显.研究结果可为在空间光通信中利用涡旋光束光子轨道角动量编码信息提供理论依据.     

阵列涡旋光束的轨道角动量特性

从近轴条件下光束轨道角动量理论出发,分析光束的轨道角动量,计算矩形对称的严格周期性阵列光学涡旋的轨道角动量,得每单元格的轨道角动量是确定的,并不与测量轴有关;但是单元格的轨道角动量取决于单元格的选择.分析由三束平面波干涉而得的涡旋阵列光子的轨道角动量,并验证了结论.     

基于马赫曾德干涉仪的两涡旋光束离轴干涉研究

能够准确识别和探测涡旋光束所承载的轨道角动量量子数，是开展以光场轨道角动量进行信息编码的高维量子通信的研究基础。目前的探测方式以干涉为主，其中涉及两束涡旋光之间的干涉法为“镜像干涉法”。该方法能有效识别轨道角动量的大小，但无法判断其和旋向相关的正负。文章基于全面、准确探测光子轨道角动量量子数的目的，将涡旋半波片获得的涡旋光束置于马赫曾德干涉仪的两臂，通过改变两臂的偏振态和涡旋半波片，获得轨道角动量量子数分别为l₁和l₂的两个涡旋光束，实验结合理论分析了二者之间的离轴干涉。干涉图样是中心有|l₁-l₂|个错位条纹的叉形光栅，光栅的开口方向反映了l₁-l₂的正负。因此，当参考光束的轨道角动量量子数明确已知时，由干涉图样可以准确识别待测光束的轨道角动量大小以及正负。该方法解决了对涡旋光束旋向的准确识别，有助于研究光子轨道角动量与物质的相互作用过程，为深入分析产生的新光场的轨道角动量模式提供了参考。     

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.     

具有离轴相位奇点的线偏振高斯光束特性研究

通常所研究的相位奇点光束均为相位奇点位于光束光轴上的涡旋光束,也即涡旋轴与光轴重合,但在实际生成相位奇点光束和具体应用中,往往很难保证光束的涡旋轴与光轴完全重合.基于应用实际,研究了离轴的相位奇点对光束光强的影响以及具有离轴相位奇点光束的聚焦特性和应用价值.离轴的相位奇点将以其中心所在位置为旋转对称中心对整个光场的光强分布产生相干叠加的影响,同时,离轴相位光束的研究也为非均匀光强分布的生成提供了更多的选择.     

环形涡旋光场干涉的理论分析与数值模拟

运用理论分析和数值模拟方法研究了对称分布的环形光涡旋的干涉图样.结果表明,当含有相同拓扑荷m的2束环形涡旋光在相对离轴参数δ=0～1的变化过程中,干涉涡旋的图样会分解为m=±1的单涡旋光束,而且会出现此单涡旋光场的中心偏离原涡旋的中心连线成轴对称分布的情况;对于拓扑荷为负的单涡旋,其中心则出现在与原2涡旋中心连线的中垂线上,且关于原点对称.从干涉图样中还可以看出,干涉叠加后的净拓扑荷与原涡旋的拓扑荷相等.     

离轴径向偏振高斯光束的非傍轴传输特性

基于矢量瑞利-索末菲衍射积分,研究了离轴径向偏振高斯光束的非傍轴传输特性,推导了离轴径向偏振高斯光束在自由空间中非傍轴传输的解析表达式,并与傍轴的情况进行了对比.研究表明:f参数、离轴系数和传输距离对径向偏振高斯光束的非傍轴传输特性有着重要的影响,而且,传输距离较远,离轴径向偏振光束的光斑向光轴靠拢,表现出较强的离轴修复能力.这些结论在多束离轴激光束进行光束合成和光束整形的研究中具有重要意义.     

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.     

微型轴流风扇扭叶片设计及其气动分析

通过推导微型轴流风扇叶片出口轴向速度沿叶高的分布方程,提出了一种考虑轴向速度非均匀性的扭叶片设计方法.通过计算流体动力学(CFD)技术,对利用该方法所设计的各种形式扭叶片的气动性能及其变工况时的气动特点进行了数值研究,并比较了工作于自模区与非自模区风扇的气动性能差异.研究结果表明,与自模区的风扇相比,非自模区的风扇压力曲线没有最高压力点,随流量减少压力几乎呈线性增加,且无失速点;效率曲线则显得更为平坦;按刚性涡设计的扭叶片虽效率低,但风压高;提高叶轮的轮毂比有助于提升风扇压力与效率.     

柱状旋流分离器旋转涡核边界分布特性

采用微分雷诺应力模型对柱状旋流分离器气体单相流场中的旋转涡核边界分布特性进行数值模拟,阐述涡核的衰减形态,考察升气管直径、入口面积以及筒体长度变化对旋转涡核边界分布的影响。结果表明:零轴速包络边界与旋转涡核边界分属不同面,二者分布于升气管投影面的两侧;旋转涡核在分离器中的自然终止形态是涡核尾端弯曲终止于壁面,并沿壁面做圆周运动;涡核边界宽度随升气管直径的减小、入口面积的增大而减小;当筒体较短时,在较大跨度的升气管直径分布内,涡核边界沿轴向近似成柱状分布。筒体长度增加会使切向速度沿轴向产生衰减,涡核边界在升气管入口区域向外扩张,沿轴向向下逐渐收缩。     

部分相干径向偏振光束在自由空间中的传输

基于2×2交叉谱密度矩阵的传输规律及部分相干光的相干与偏振的统一理论,研究了部分相干径向偏振光束在自由空间中的传输特性.理论分析和数值计算表明:部分相干径向偏振光束在传输过程中,其光强、斯托克斯参数及偏振度都会发生变化,光强由空心面包圈型逐渐变为实心,该现象与传输距离以及相干长度有关.同时在传输过程中,斯托克斯参数及偏振度的分布也与传输距离及相干长度有关,随着传输距离的增大,斯托克斯参数S1,S2的模值减小,偏振度随半径的分布曲线斜率逐渐降低,传输距离一定时,随着相干长度的增大,斯托克斯参数S1,S2的模值会随之增大,其有效分布区域向坐标轴收缩,偏振度随半径的分布曲线的斜率会随之增大.     

负Goos-H？nchen位移的理论与实验研究

1947年Goos和H？nchen发现,当电磁波束在玻璃/空气界面全反射时,在返回玻璃内部时有一项发生在入射面内的纵向位移;我们称之为正位移。实际上,稳态相位法的计算表明,位移可以为正、为零,甚至为负。由于界面上的表面波可以是前向型的和后向型的,携带的功率向着不同方向;故当激发起后向型表面波时就可获得入射波束的负位移。在多层结构中,当入射波束波矢的切向分量与表面波传播常数一致时,会发生类谐振现象并导致位移增大。〈br〉 在一般情况下,当光束入射到金属表面,TM极化时GHS为负,并且绝对值比TE极化时大得多。但我们在微波的实验研究表明,在使用金属时可以在TE极化时发生负位移。实验时在全反射界面处为纳米级金属膜,是厚度30nm和60nm的铝膜,它蒸镀在厚18μm聚乙烯膜上。实验还发现,当改变入射角θ1并使之达到约qθ1c（θ1c为全反射临界角,q＆gt;1）出现类谐振现象,GHS的绝对值可达（5~7）cm。目前尚缺少对这些结果的理论解释。     

拉盖尔-高斯涡旋光束的传输特性研究

从菲涅耳衍射理论出发,以自由空间为例,利用柯林斯公式推导出了任意阶拉盖尔-高斯涡旋光束的传播形式,证明了高阶拉盖尔-高斯涡旋光束在自由空间的传播能够保持其自身表达形式的不变性。此研究方法可以拓展到满足傍轴条件的任意光学系统。对不同阶数的拉盖尔-高斯涡旋光束经过传输后的相位和强度分布分别进行了数值模拟,在传输的过程中,光束的等相位线发生了弯曲并且光束发生了扩散,依据传播表达式对其相位和强度的变化规律进行了分析。     

环形涡旋光干涉叠加形成复合涡旋光的特性研究

采用数值模拟的方法对2束以高斯光束为背景的环形涡旋光相互叠加产生的复合涡旋进行研究,提出了一种求解共线叠加复合涡旋位置的图解方法,利用该方法可以得到准确的涡旋位置分布特性。研究表明,通过改变涡旋光的拓扑荷值以及束腰半径,复合涡旋光的奇点和强度分布都会发生改变,形成新的复合涡旋光场。     

一类测度链上二阶三点边值问题对称解的存在性

本文研究了一类测度链上二阶三点微分方程边值问题xΔΔ(t)+f(t,x(t))=0,t∈(0,1)∩T,x(0)=x(1),xΔ(0)-xΔ(1)=αx(ξ),这里,f:[0,1]×[0,∞)→[0,∞)是一连续函数,满足对称性条件f(t,x)=f(1-t,x),0,1,ξ∈T,0ξ1,α1/(ξ-ξ2)。借助不动点指数性质的应用获得了3个对称正解的存在性。