拉盖尔-高斯光束拓扑荷值的三角孔测量

基于三角孔衍射方法,测量了拉盖尔-高斯(LG)涡旋光束的拓扑荷值。当LG涡旋光束照射在三角孔衍射屏上后,在其后的傅里叶频谱面形成衍射三角点阵状光强分布;通过角点阵外边上衍射点数来确定拓扑荷值,拓扑荷的符号通过三角点阵的方向来确定。数值模拟和试验结果表明:该方法能有效测量LG光束的拓扑荷值,测量范围达到了±9。     

涡旋波干涉振幅全息图的计算机制作

根据数学模型,借助计算机语言编程制作了涡旋波干涉的振幅全息图.结果表明:涡旋波分别与平面波和球面波干涉,形成叉形光栅和螺旋环形光栅全息图样,且图样分布随涡旋波拓扑荷值的变化而变化.当拓扑荷值由正整数变为负整数时,叉形光栅的开口方向和螺旋环的旋转方向发生反转;当拓扑荷值变为分数时,全息图样发生不同程度的位错.该全息图可作为振幅掩模或直接加载于液晶空间调制器,用于生成涡旋光束.     

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.     

利用计算全息光栅产生的涡旋光测量物体变形

利用计算全息(CGH)光栅产生的涡旋光束拉盖尔-高斯(LG)光束进行离面位移测量。基于二元叉形光栅产生LG光束的理论,将产生的LG光束作为参考光,加入一束平面光作为物光,设计了离面变形测量实验方案。利用物光和参考光的干涉进行物体变形测量,推导出物体变形前和变形后的干涉光强公式。通过数值计算,分析了利用LG光束进行变形测量的原理。数值模拟实验结果与理论结果基本一致,表明利用CGH叉形光栅产生的高纯度的LG光束可以进行物体变形测量。     

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.     

三缝干涉测量涡旋光束拓扑电荷数

研究了涡旋光束经三缝干涉后在干涉场中干涉条纹的分布情况,讨论了拓扑电荷数分别为整数和分数情况下对条纹分布的影响.结果表明:不同于平面波,涡旋光束经三缝干涉后的条纹沿着横向出现了移动现象,并且移动的幅度和方向与拓扑电荷数的取值有关.     

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.     

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。     

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.     

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.     

小尺度流场内涡旋光束的气动光学特性

构建了一个小尺度流场模型,采用二阶紧致差分对抛物型的复振幅微分方程进行求解,探究小尺度流场内的气动光学特性。应用龙格-库塔法(Runge-Kutta methods)沿光束路径做非线性积分,计算不同拓扑荷数的LG光束在不同马赫数、不同攻角、不同海拔经过小尺度流场后的光强和光程差(OPD)分布,并与高斯光束进行对比评价光束质量。仿真结果表明,在相同的流场环境下,LG光束的拓扑荷数越大,相位稳定性越好,且均优于高斯光束。在振幅稳定性上,拓扑荷数越大振幅稳定性越差,成像偏移越大,与高斯光束相比,LG光束受海拔和攻角的影响更大,当且仅当径向指数为0,拓扑荷数为1时LG光束优于高斯光束。这些特性对气动环境下自由空间光通信技术应用提供了理论参考。     

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.     

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.     

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.     

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.     

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。     

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.     

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.     

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.