带有相位调制的光学谐振腔内光场空间相干性的演化

基于激光谐振腔的理想开腔模型及其在空间频率域的相干模式理论,通过数值模拟分析了含有相位调制型元件的光学谐振腔内光场空间相干性的影响,讨论了产生这种现象的物理机理.数值计算结果表明:空间相干性随光场在腔内振荡次数的增加最终仍然会趋于完全相干,但对不同的相位调制形式,光场空间相干性在腔内的演化情况有很大的区别.     

多高斯关联扭曲光束在GRIN光纤中的轨道角动量演化

轨道角动量(orbital angular momentum, OAM)的引入丰富了光通信领域内的调制维度,为寻找更高效快捷的通信方式提供了新思路,相较于传统携带涡旋相位的涡旋光束,部分相干扭曲光束携带的OAM性质更为复杂。本文针对椭圆多高斯关联扭曲光束在梯度折射率(gradient-index, GRIN)光纤中的OAM传输,基于GRIN光纤的ABCD光学传输矩阵,着重分析了多高斯关联扭曲光束在GRIN光纤传输的OAM的传输演化特性。研究结果表明,光束的光强、OAM通量密度以及归一化OAM通量密度在光纤传输过程中均呈现周期性变化,通过对关联结构以及扭曲因子的调控不仅可以改变光束OAM通量密度的分布,还可以调控单光子携带OAM的大小。本文的研究有助于丰富扭曲部分相干光束在GRIN光纤中传输的理论结果,在光纤通信中具有潜在的应用前景。     

高阶相干涡旋和光涡旋的动态演化和传输轨迹

基于广义惠更斯-菲涅耳原理,以拉盖尔-高斯(LG,Laguerre-Gaussian)光束为例,详细研究了高阶相干涡 旋、高阶光涡旋在自由空间、大气湍流中的动态演化和传输轨迹。研究表明,拓扑荷为+m 的高阶相干涡旋在自由空 间和大气湍流传输中均演化为m个拓扑荷为+1的相干涡旋;高阶光涡旋在自由 空间传输中不分裂,且随传输距离的 增加高阶光涡旋的位置不发生变化;拓扑荷为+m的高阶光涡旋在大气湍流传输中演化为m 个拓扑荷为+1的光涡旋; 光场的部分相干性和大气湍流的扰动都会诱导高阶相干涡旋发生分裂。所得结论,在光涡旋 通信系统有潜在应用价值。     

部分相干照明下的相位恢复方法及应用研究进展

相位恢复技术在材料科学、生物医学、天文学等领域有着广泛的应用,不同的相位恢复技术及应用领域,需要用到不同的光源。光源的波长、相干性以及能量等参数都会影响最终的相位恢复效果。在以往的研究中,就空间相干性而言,往往将光源当作完全相干光处理,但是在实际应用中,X射线、电子束等光源都是部分相干光,且完全相干光经过介质时其空间相干性也会降低,因此,如何在部分相干照明下恢复物体正确的相位信息尤为重要。本文概述了空间部分相干照明下相位恢复技术的研究背景及研究进展,重点介绍了常用的几种相位恢复方法:模式分解法、强度传输方程、微扰法以及焦移法等,并对这些方法的优劣进行了对比分析。此外,还概述了微扰法相位恢复技术在特殊关联部分相干光场测量及部分相干涡旋光束拓扑荷数测量中的应用。     

液晶几何相位技术实现光场空间结构全维度调控

几何相位平面光学元件由于高效、紧凑及易集成等优点已被广泛用于光场空间结构调控。但以q-plate为代表的此类元件只提供自旋相关的波前控制能力，振幅调控能力的缺失导致无法利用光场的全部空间维度，严重阻碍了相关领域研究的进一步深化。笔者团队在国家自然科学基金等项目资助下，以液晶人工微结构中的几何相位为物理基础设计并论证一系列新型几何相位元件，解锁了平面光学技术对近轴结构光场的全维度调控能力，为高维经典及量子信息等需要依托光场调控技术的实验研究提供了重要工具。     

部分相干异常涡旋光束在大气湍流中的传输特性

研究了部分相干异常涡旋光束在湍流大气中传输时的光强特性和有效光斑尺寸。利用广义惠更斯-菲涅尔积分式推导了部分相干异常涡旋光束的互相干函数的表达式,并在此基础之上得到部分相干异常涡旋光束的光强和有效光斑尺寸的表达式。通过数值模拟分析了部分相干异常涡旋光束的归一化光强分布和有效光斑尺寸随空间相干长度和折射率常数的变化情况。研究结果表明:部分相干异常涡旋光束比完全相干异常涡旋光束受大气湍流的影响更小。而且随着空间相干长度的减小和大气折射率常数的增加,异常涡旋光束光强的中心点强度和有效光斑尺寸逐渐增加。     

矢量涡旋光束的表征及腔内生成技术北大核心CSCD

矢量涡旋光束是一种新型的结构光场,具有螺旋相位和横截面各向异性偏振分布,在光镊、旋转体探测、光通信、高分辨率成像、量子信息等领域展现出广泛的应用前景。随着研究的不断深入,对矢量涡旋光束的复杂光场模式分布要求越来越高,给矢量涡旋光束的生成技术带来了巨大的挑战。此外,如何更加实用且有效地完备表征矢量涡旋光束的模场分布、模式特性亦是其应用的重要基础。本研究团队长期从事包括矢量涡旋光束在内的结构光场调控及应用技术研究,提出了多种输出模式连续可调的矢量涡旋光束腔外、腔内生成技术。介绍了近年来本课题组在矢量涡旋光束的表征和腔内生成方面的主要工作,包括矢量涡旋光束总角动量态的四参量表征法、激光谐振腔内横纵模调控技术等,并在此基础上报道了人眼安全波段全固态矢量涡旋光束激光器。     

相干涡旋和刃型位错在海洋湍流中的相互作用

类比相干光束中刃型位错概念,提出一种新的相干奇点——相干刃型位错。对高斯-谢尔模光束携带的相干涡旋和刃型位错在海洋湍流中的相互作用进行研究。基于扩展的惠更斯-菲涅耳原理,得到了该光束在海洋湍流环境下的交叉谱密度表达式,并将其用于研究相干涡旋和刃型位错的相互作用。研究发现：相干刃型位错在相干涡旋的作用下发生断裂并转化成相干涡旋。在光束传输过程中,光场中有单个或成对相干涡旋的产生或湮灭现象发生。二者之间的作用特点不仅与传输距离有关,还受光束初始参数和海洋湍流参数的影响。二者之间的作用规律与自由空间光涡旋和刃型位错的作用规律不同。     

完美涡旋光场的研究进展北大核心CSCD

完美涡旋光场具有亮环半径不随拓扑荷值改变而改变的优点,在微粒操纵及量子通信等领域具有重要的应用价值,已成为近年来光场调控领域的研究热点。介绍了产生完美涡旋光场的三种典型方法,综述了完美涡旋光场的调控技术及表征方法,并对其应用进行了总结。     

部分空间相干光经准均匀介质的散射

基于一阶波恩近似,研究了部分空间相干平面光经准均匀介质的散射特性,得到了远场散射光谱强度和光谱相干度的解析表达式。讨论了入射光的空间相干性和介质特性对散射场光谱强度和光谱相干度的影响。比较了入射光是完全相干光和部分相干光时,散射场光谱强度和相干度的区别。研究结果表明:入射光的空间相干性对散射场光谱强度的分布有重要影响;随着入射光空间相干长度的增大,光谱宽度减小;光谱相干度随着入射光束腰宽度或介质有效半径的增大而减小。当准均匀介质的有效半径和相干长度、入射光的空间相干长度满足一定条件时,散射光是完全相干光。     

部分相干Airy涡旋光束在非Kolmogorov谱中的模态强度

为了探究部分相干Airy涡旋光束在非Kolmogorov谱中模态强度的演化规律,基于广义的Huygens-Fresnel原理和Rytov近似理论,推导了部分相干Airy涡旋光束的轨道角动量模态概率的解析式。结合MATLAB的数值模拟,研究了部分相干Airy涡旋光束在非Kolmogorov谱湍流大气中传输时湍流参量和波束参量与涡旋模态强度的关系,对部分相干Airy涡旋光束的相干宽度在传输过程中对模态强度的影响进行了理论分析。结果表明,选取拓扑荷数较小、主亮环半径较大、波长较长的部分相干Airy涡旋光束能有效减缓湍流效应的影响,减小强湍流中模态间的串扰;较大的湍流谱幂指数和较小的探测器孔径直径能提高部分相干Airy涡旋光束的模态强度;与完全相干涡旋光束相比,部分相干涡旋光束具有较强的湍流阻力,在大气湍流中能有更好的传输性能,相干性较差会导致螺旋谱分布弥散。这些结果对自由空间光通信的研究具有一定的参考价值。     

相干性浅说

文章指出,如果E(r_1t)与其时间平移场E(r,t+Δt)相干,即在它们的空间相遇点上,合光强不是它们各自光强之和,则光场是时间相干的。使E(r_1t)和E(r,t+Δt)相干的Δt的最大值称为光场的相干时间;如果E(r_1t)与其等相位面上的空间平移场E(r+Δr_1t)相干,则光场是空间相干的。使E(r_1t)与E(r+Δr_1t)相干的r处等相位面上的面积的最大值称为光场在r处的相干面积。 从物理上讲时间相干性和空间相干性是两个不     

相位退相干对多光子过程中两原子纠缠的影响

利用全量子理论及部分转置矩阵负本征值的方法,研究了存在相位退相干时多光子T-C模型中两个二能级原子与数态光场相互作用系统中两原子的纠缠演化特性。讨论了相位退相干系数、原子间偶极-偶极相互作用系数、跃迁光子数对原子间纠缠演化特性的影响。结果表明：相位退相干因子并不能完全破坏两原子间的相干性,而是衰减了原子间纠缠度的振荡幅度。随着偶极相互作用系数的增大和跃迁光子数的增多,两原子最终处于纠缠度值较稳定的纠缠态;两纠缠原子的相干性越好,两原子越容易达到纠缠度值较大且稳定的纠缠态。     

艾里涡旋及其衍生光场

艾里光束作为一种具有自加速特性的无衍射光束,在光镊、光学成丝、成像、表面等离子激发等众多领域都具有应用潜力。而在艾里光束基础上引入涡旋项可以丰富光场特性,同时利用艾里光束特性与涡旋相位特性为光场分布调谐提供了更大的灵活性,也引入了更多的动力学演化特性。以直角坐标和极坐标系下艾里光束的特性与应用为切入口,系统介绍了各类艾里涡旋的参数调谐与演化特性,包括直角坐标和极坐标系下单个艾里涡旋在各个情况下的演化特性、产生方式与应用,以及直角坐标和极坐标系下的艾里涡旋叠加光束的奇特性质等,为系统了解艾里涡旋参数及动力学特性提供参考,进而为产生具有更加丰富性质的光场打下基础,对扩大艾里涡旋的实际应用领域具有指导意义。     

复杂涡旋结构光场的产生方法

涡旋光是一种携带轨道角动量、相位面呈螺旋状分布的新型结构光场,在量子纠缠、量子通信、光学微操控等领域已经获得了广泛应用。随着研究的深入,具有比传统涡旋光更复杂的拓扑结构、相位奇点、轨道角动量和偏振奇点的结构光场的产生,吸引了众多研究人员的兴趣。从固体激光腔内直接激发产生空间结构光和腔外调控得到空间结构光出发,分别介绍了离轴泵浦加像散转换、调制元件调制波形、泵浦整形三种腔内方法,以及空间光调制器光场定制、模式叠加、超构表面微结构设计的三种腔外方法,并分析比较了几种方法的优缺点,展望了未来空间涡旋结构光场的发展趋势。     

基于几何相位超表面的Ince-Gaussian矢量涡旋光场聚焦

为了实现电介质超表面的聚焦功能和对光场相位的调控，采用几何相位调制原理设计微元结构及空间分布，以SiO₂为基底、亚波长TiO₂椭圆柱的六边形晶胞为基本结构，设计了一种相位突变呈抛物线梯度分布的聚焦超表面，适用于480nm~580nm波段。基于此结构进行了理论分析和实验验证，发现该结构对线偏振光聚焦，其归一化后的半峰全宽约为428nm，而对矢量光聚焦约为258nm，获得了更出色的聚焦效果。研究了3阶和4阶Ince-Gaussian矢量光场通过该超表面后的聚焦特性，得到了聚焦场能保持入射矢量光场的基本空间结构，但中心结构信息会有损失的结果，即Ince-Gaussian矢量涡旋光场由于涡旋相位的存在，聚焦后会呈现破缺的空间结构。结果表明，超表面结构和入射光场矢量结构之间的匹配程度是影响聚焦特性的重要因素。该研究为理解复杂矢量光场的超表面聚焦机理提供了参考。     

腔内复杂几何模结构光场的直接产生与调控

<正>近年来，具有特定空间强度分布与复杂相位信息的结构光场，由于其更多维的自由度及新奇的物理特性而受到广泛关注。对于具有横纵频率简并特性的谐振腔，离轴泵浦可以选择性激发具有“波迹二象性”的SU(2)几何模结构光场。这类结构光场具有相干波包与几何射线轨迹相互耦合的特点，“迹”本身也使得这类具有经典纠缠特性的光场具有更多空间自由度。     

高功率涡旋拉曼光纤激光器EI北大核心CSCD

近年来,携带轨道角动量的涡旋光束在激光加工、光学微粒操纵、超分辨成像、大容量光通信等领域应用广泛,目前已在稀土掺杂光纤激光器中得到了广泛研究。基于声致光纤光栅,实验搭建了全光纤结构拉曼光纤激光器,实现LP_(01)模与LP_(11)模的有效调控,并进一步通过偏振控制实现环形径向偏振光和拓扑荷数l=±1的涡旋光束输出,最高输出功率~70 W,中心波长为1134 nm。文中提出的激光器有利于拓宽涡旋光束输出波段,在多维光通信、光场和物质相互作用等领域具备较大研究价值和应用潜力。     

部分相干双涡旋光束在海洋湍流中的传输

基于广义惠更斯―菲涅耳原理,推导了部分相 干双涡旋光束在海洋湍流中传输时光强分布的理论表 达式,详细研究了部分相干双涡旋光束在海洋湍流中的传输特性。研究结果表明,在传输距 离较小的情况 下,双环结构扩展随着外环拓扑荷数的增加而增大,传输一定距离以后光束转化为空心分布 ,当传输距离 足够长后,光强分布转化为类高斯分布。研究还发现,双涡旋光束在海洋湍流中的强度分布 也受到海洋湍 流相关参数的影响,并且随着海洋湍流的相关参数的改变,光束转化为类高斯分布所需要的 传输距离也随 着改变。另外,在传输距离较短的情况下,光源的相干性越好,光束的双环结构越明显,并 且中间的“暗核” 越明显。所得结果对于部分相干双涡旋光束应用于水下湍流环境有着重要的意义。     

部分相干平顶光束在大气湍流中空间相干性研究

采用Rytov相位结构函数二次近似的方法和广义惠更斯-菲涅耳原理,推导出了部分相干平顶光束通过大气湍流传输的空间相干度公式,研究了湍流对光束空间相干特性的影响.研究表明:部分相干平顶光束的空间相干性由大气湍流折射率结构常数、光束的相对空间相关长度、平顶光束的阶数、传输距离和观察点位置坐标等因素共同确定.部分相干平顶光束通过湍流大气传输时,其空间相干度会出现振荡和相位奇异现象,但随着湍流的增强,振荡减弱,直至振荡和相位奇异现象消失.