离轴高斯涡旋光束的轨道角动量研究

由近轴光束理论,推导了离轴高斯涡旋光束在质心坐标中轨道角动量的解析表达式,在此基础上对离轴涡旋光束轨道角动量的分布及其传输进行了研究,数值研究表明,观测平面上离轴涡旋光束的轨道角动量的分布不再具备圆对称的特点,轨道角动量为0的等高线为封闭曲线,其内部区域轨道角动量数值为负,外部为正.随着传输距离的增加,远场区观测平面上轨道角动量的分布逐渐演变为近似左右对称的情形,拓扑荷数越大,演变的速度越快.另一方面,离轴距离也会影响到轨道角动量的分布,在确定的观测平面上,离轴距离越大,观测平面上轨道角动量极小值(负区域)的模值会越接近轨道角动量的极大值(正区域).该结论在研究离轴涡旋光束与微粒作用时能提供指导意见.     

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.     

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。     

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.     

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.     

中心力场中的电子涡旋

电子涡旋波最早是在轨道角动量守恒的系统中被发现.对于轨道角动量不守恒的系统,涡旋波的存在与否尚不清楚.以相对论情况下的中心力场中的电子为例,构建了在轨道角动量不守恒但总角动量守恒的情况下,当携带固定总角动量的电子沿z轴传播时,对此时系统所对应的电子涡旋波进行微扰求解;并结合Foldy-Wouthuysen(F-W)变换,说明了在相对论情况下,中心力场下携带轨道角动量的电子沿z轴传播时确实存在涡旋解,同时展示了相对应的涡旋波解和螺旋等相位面.     

涡旋光束的轨道角动量双缝干涉实验研究

利用计算机全息振幅二元光栅对基模高斯光束进行衍射,实验产生不同阶次拉盖尔-高斯（Laguerre-Gaussian,LG）涡旋光束,用得到的不同阶的LG光束进行双缝干涉实验,根据采集到的干涉条纹扭曲方向及条纹扭曲程度实现涡旋光束轨道角动量的测量,通过调整实验光学系统,分析了LG光束轨道角动量的测量精度.结果表明,基模高斯光束束宽与全息光栅尺寸的合理选择会影响到生成的涡旋光束质量.在确定基模高斯光束束宽的情况下,双缝间距与光束束宽的比例为1：1.5时,双缝对生成的LG光束干涉条纹扭曲效果明显,LG光束轨道角动量测量误差最小.     

利用杨氏双缝干涉实验检测涡旋光束的拓扑荷数

研究涡旋光束经过杨氏双缝干涉后的干涉条纹,发现不同于平面波的竖直干涉条纹,涡旋光束的干涉条纹出现扭曲.从条纹的上部往下看,涡旋光束的干涉条纹出现横向的移动,而移动的方向和大小分别取决于涡旋光束拓扑荷数的符号和数值大小.对干涉条纹进行观察发现,实验观察结果和理论结果基本上保持一致,可以通过观察涡旋光束的干涉条纹来判断涡旋光束的轨道角动量.     

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.     

遗传算法的涡旋光束畸变波前校正技术研究

涡旋光束复用能提高自由空间光通信的容量,而实际链路的大气湍流使得涡旋光束发生相位畸变,进而裂化轨道角动量模式,产生模式串扰,降低通信质量.因此,高质量校正畸变的涡旋光束对提升通信质量尤为重要.结合Zernike多项式和遗传算法,以光强相关系数为目标函数,对畸变的涡旋光束进行波前校正.结果表明:在最优的交叉变异算子组合下,能将畸变单模涡旋光束的光强相关系数从0.37、0.19分别校正至0.97、0.79,拓扑荷纯度从0.76、0.15分别上升至0.99、0.97.对拓扑荷为+1、-2的多模畸变涡旋光束进行校正,光强相关系数从0.16增加至0.78.可见,在最优的交叉变异算子组合子下,畸变单模和多模涡旋光束都能得到高质量波前校正.