涡旋光束嵌套高斯光束在湍流大气中的传输

研究大气湍流波像差中的散焦和像散两种低阶像差对聚焦涡旋光束嵌套高斯光束焦面光强的影响,并用数值模拟的方法分析接收焦面平均光强分布随光束聚焦距离、拓扑荷数、湍流强度等参数的变化特性.结果表明:随着传输距离和大气折射率结构常数的增大,复合光束焦面光强峰值降低,光斑半径增大,光斑漂移现象明显,而接收焦面内的光强分布仍保持其高斯分布规律.说明涡旋光束和高斯光束经大气湍流后具有相同的强度起伏,有利于接收端的相干检测.     

部分相干圆偏振涡旋光束的深聚焦

基于德拜理论,研究部分相干圆偏振涡旋光束的深聚焦特性,比较左旋和右旋部分相干圆偏振涡旋光束的不同深聚焦特性,并给出相应的物理解释.分析入射光束相干性和聚焦透镜数值孔径大小对深聚焦特性的影响.研究表明,入射光束的相干度和聚焦透镜的数值孔径大小,都会影响深聚焦焦平面的光强和相干度.通过控制各相关参数的取值,可以在聚焦场中获...     

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.     

整数与分数阶涡旋光束相位奇点的稳定性分析

通过衍射积分理论对整数阶以及分数阶涡旋光束的相位奇点的稳定性进行了研究.对于任意整数阶涡旋光束,推导了其在传输中电场的解析表达式;对于分数阶涡旋光束,不能给出传输中电场的解析解,仅能解析计算中心点电场在传输中的值.理论证明和模拟计算表明整数阶涡旋光束的相位奇点具有稳定性,传输后涡旋的暗核能够得以维持,光强仍然具有中心对称性分布;分数阶涡旋光束不具备稳定性,传输后几何中心电场不再为零,且观测平面上的光强分布也不再具有中心对称的特点.实验分析表明整数阶涡旋光束更适合于自由空间光通信系统.     

部分相干涡旋光束在揣流大气中的相干性

根据广义的惠更斯-菲涅耳原理,得到了部分相干涡旋光束在湍流大气中传输时光谱相干性的理论表达式,然后详细研究了光束在湍流介质中传输时相干性的变化规律.研究表明,部分相干涡旋光束通过湍流介质后,光束的相干性主要受到湍流扰动强弱和光束所带的拓扑电荷数多少的影响,而与光源本身的相干性无关.光源所带的拓扑电荷数越多,光束的相干性越差;湍流扰动越强,光束的相干性越好.     

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.     

紧聚焦下的密集多环完美涡旋

涡旋光束因携带轨道角动量(OAM)而具有手性.通过光与物质相互作用，具有手性的涡旋光场已经被用于制备手性微结构、检验手性生物分子等.其中，根据应用需求，产生能量可控的涡旋光场尤为重要.采用“棋盘格配比法”在紧聚焦条件下实现了密集多环完美涡旋.通过调控产生了不同涡旋环的“棋盘格相位”的数量，实现了对密集多环完美涡旋中各涡旋环相对能量的调控.此外，通过调整完美涡旋的半径，使密集多环完美涡旋具有相对均匀的强度分布.利用球面波与该光场干涉，分析了各涡旋环的拓扑核数，验证了密集多环完美涡旋中各环的手性.该手性光场的产生，可以为制备手性微结构、检验生物分子提供灵活工具.     

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.     

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.     

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.     

高阶贝塞尔-高斯光束的自重建特性

由汉克尔波理论分析了贝塞尔（Bessel）光束的形成原理,很好地解释了零阶和高阶Bessel光束的自重建特性.利用衍射积分理论和柯林斯公式条件下的传输模型数值模拟了一阶贝塞尔-高斯（Bessel-Gauss）光束经过轴上圆形障碍物后的光强分布特性.结果表明,高阶Bessel-Gauss光束也具有零阶Bessel光束类似的自重建特性.实验上采用轴棱锥聚焦涡旋光束获得一阶Bessel-Gauss光束,然后通过轴上圆形障碍物、轴上和离轴正方形障碍物,验证了高阶Bessel-Gauss光束的自重建特性.理论模拟和实验结果相吻合.     

部分相干涡旋光束在湍流大气中的相干性

根据广义的惠更斯-菲涅耳原理,得到了部分相干涡旋光束在湍流大气中传输时光谱相干性的理论表达式,然后详细研究了光束在湍流介质中传输时相干性的变化规律。研究表明,部分相干涡旋光束通过湍流介质后,光束的相干性主要受到湍流扰动强弱和光束所带的拓扑电荷数多少的影响,而与光源本身的相干性无关。光源所带的拓扑电荷数越多,光束的相干性越差;湍流扰动越强,光束的相干性越好。     

用衍射方法确定平顶光学涡旋拓扑荷数

使用一种中心对称的正方形振幅光栅,分别计算了不同拓扑荷数的平顶涡旋光束经过不同空间频率的正方形振幅光栅后的夫琅和费衍射光场.结果表明,平顶涡旋光束经正方形振幅光栅后在远场的光强分布为亮斑阵列;选择合适的空间频率,即可以得到任何拓扑荷数的清晰的衍射图样;当拓扑荷数≥2时,衍射光强图样外围亮斑的个数为入射涡旋光束拓扑荷数的2倍.用此种衍射方法可以方便地测量入射光学涡旋的拓扑荷数.     

贝塞尔光束的简易实现方法

对光纤中传播的电磁场分析发现,其纵向分量可以用贝塞耳函数及第二类变态贝塞耳函数来描述,据此,提出一种利用玻璃毛细管和聚焦透镜实现贝塞尔光束的简易方法.通过观察发现,在光束传播方向,出射光束即为贝塞尔光束,沿光束传播方向的光强分布不会发生改变,仅产生扩散.研究表明,随着聚焦透镜的焦距f的变大,贝塞尔光束的高瓣数光环的光强变弱,光束的光强向低瓣数光环和中心光斑移动;随着毛细管长度l的增加,光束的高瓣数的光环光强在不断增强.此外,研究还表明,透镜与毛细管端面之间距离d对于出射光束横截面上的光强分布有很大的影响.     

粒子在双涡旋光束中的受力特性

从理论上分析了空气中的球形吸收粒子在双涡旋光束中的受力特性,分别从径向和横向两个方向分析了粒子的受力情况,估算了粒子在双涡旋光束中所受的径向力随粒子半径与光腰半径的比值、衍射距离的变化关系,以及粒子所受横向力与涡旋光束环半径的关系,估算了捕获粒子的最大径向力和横向力.     

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。     

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.     

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.     

一种空心光束的简易实现方法

利用玻璃毛细管作为空心波导,研究聚焦光束在其中的传输特性.实验结果表明:当聚焦光束以正射方式入射到空心玻璃毛细管波导时,经玻璃毛细管传输后的聚焦光束由原先的高斯光束变成零阶贝塞耳光束;而当聚焦光束非正射入射时,即聚焦光束以其光轴与毛细管中心细孔的中心轴成某一角度入射时,经传输后的聚焦光束由原先的高斯光强分布变为空心光强...     

涡旋光束的轨道角动量的测量

理论分析拓扑电荷数大小相等、符号相反的两束拉盖尔高斯型涡旋光束的干涉,并从实验上研究拉盖尔高斯型涡旋光束的拓扑电荷数的改变及干涉特性.结果表明,采用加道威棱镜的马赫曾德尔干涉方法,可以容易地分辨涡旋光束的拓扑电荷数,并降低检测的误差.研究还发现,干涉后的光斑图样有缓慢的旋转现象.