光环晶格的产生与传输研究

理论和实验研究了单环与多环晶格的产生及空间传输特性。数值结果表明,光环晶格初始产生时共轴叠加的拉盖尔高斯涡旋光束拓扑荷之差决定着光强分布中亮暗花瓣状光斑数量;暗环晶格的相位分布存在奇异点,与光强分布中暗花瓣状光斑数量及位置相互对应,亮环晶格相位分布中无奇异点;随传播距离的增加,光环晶格的亮暗花瓣状光斑均远离光束中心,暗环晶格拓扑荷为正值发生顺时针旋转,为负值则发生逆时针旋转,亮环晶格无旋转特性。实验上,利用反射式空间光调制器产生了光环晶格并使用CCD记录保存,探究了光环晶格的光强分布以及空间传输特性。实验结果与理论结果基本符合,该研究成果为光环晶格的冷原子捕获提供了一定的理论与实验依据。     

涡旋光束经过散射介质产生散斑的理论和实验研究

研究了涡旋光束经过散射介质后形成的散斑特性 ．运用概率统计理论和光束传输理论,模 拟了不同拓扑电荷数的涡旋光束经过散射介质后形成的散斑,以及散射介质颗粒尺度对散斑 特性的影响。模拟结 果表明,随着涡旋光束拓扑电荷数的增大和散射介质颗粒尺度减小,形成 的散斑颗粒尺寸逐渐减小。实验上,利用螺旋相位板(SPP)产生涡旋光束,使其透过散射介 质后形成散斑。实验结果 表明,涡旋光束经过散射介质后,随着散射介质颗粒尺度减小,形成的散斑对比度逐渐增大 ;随着涡旋光束拓 扑电荷数的增大或散射介质颗粒的减小,所形成散斑的尺寸减小。实验结果与模拟结果 相吻合。     

涡旋光束经过环形孔径的衍射特性的研究

对涡旋光束经过环形孔径之后的衍射特性进行了研究。从理论和实验上研究了涡旋光束经过环形孔径的衍射情况,考虑了整数阶涡旋光束和分数阶涡旋光束的衍射光强图,并讨论了拓扑电荷数对衍射图样的影响。研究表明,拓扑电荷数与光强分布紧密相关,这一现象可以用于测定涡旋光束拓扑电荷数。     

分数阶涡旋光束的轨道角动量的测量

理论分析了拓扑电荷数为分数且大小相等、符号相反的两束涡旋光束的干涉,实验研究了分数阶涡旋光束的拓扑电荷数的改变对干涉的影响。研究结果表明,采用加道威棱镜的马赫曾德尔干涉方法可以容易地分辨拓扑电荷数为0.5的整数倍涡旋光束,而其它分数阶涡旋光束的分辨则比较困难。     

轴棱锥聚焦涡旋光束获得高阶贝塞尔光束

采用轴棱锥聚焦涡旋光束,获得了高阶贝塞尔(Bessel)光束.首先,从理论模拟了涡旋光束经过轴棱锥聚焦后所获得的聚焦光强分布,结果表明,涡旋光束经过轴棱锥聚焦后可获得高阶贝塞尔光束.并且所获得的高阶贝塞尔光束的阶数与涡旋光束的拓扑电荷数相司.进而,从实验获得高阶贝塞尔光束,并且采用不同锥角的轴棱锥对涡旋光束进行聚焦,研...     

基于计算全息的光环晶格阵列研究

利用拉盖尔高斯涡旋光束的共轴叠加,研究2×2光环晶格阵列的产生方法。从理论上分析了光环晶格阵列的形成与分布特征,并利用数值计算得出了光环晶格阵列。通过共轭对称延拓傅里叶计算全息生成了光环晶格阵列的全息图,基于反射式空间光调制器的光电实验产生了与理论一致的光环晶格阵列。光环晶格阵列具有更多的控制参数和更复杂的光束分布特征,为光束的原子操控研究提供了一定的理论和实验依据。     

涡旋光束经叉形光栅的衍射特性

利用惠更斯-菲涅耳衍射积分以及叉形光栅的透射率函数,推导出了涡旋光束经叉形光栅衍射后的解析表达式。详细研究了涡旋光束通过携带拓扑电荷数l的叉形光栅后的光强分布和拓扑电荷数。结果表明,中心零级光斑和入射涡旋光束的拓扑电荷数m相同;随着衍射级数n的变化,衍射光斑的拓扑电荷数变为nl+m。当满足nl+m=0时,该n级光斑中心为平面波形的亮斑,在此光斑两侧随着衍射级数的改变,衍射光斑的空心半径逐渐增大。根据平面波光斑所在位置的级数n以及叉形光栅携带的拓扑电荷数l,由nl+m=0可确定入射涡旋光束的拓扑电荷数m。将计算结果与实验结果做了比较,发现两者基本吻合。     

反常涡旋光束锥形折射特性分析

为了分析反常涡旋光束的锥形折射,利用锥形折射衍射理论,给出了反常涡旋光束通过双轴晶体光场的表达式。通过数值模拟,分析了锥形折射的环半径和光束束腰半径的比值、光束阶数、拓扑荷数和传播距离等参数对传输特性的影响。结果表明:当锥形折射的环半径远大于光束束腰半径时,在焦像面处,反常涡旋光束的锥形折射光场与高斯光束的双环结构不同,其光场是多环结构;随着拓扑荷数的增加,在焦像面处的亮环数也会增加;光场进一步传输时,光场从多环结构转换成双环结构,且内外环结构特征也会发生变化。     

一种新型的共轴叠加复合涡旋光束

利用束腰半径不同、拓扑电荷数不相等的两束拉盖 尔高斯涡旋光束共轴叠加,产生了一种新型的复合涡旋光束。研究了束腰半径大小对光束分 布的影响以及复合涡旋光束的空间传播特性。结果表明,通过 改变其中一束拉盖尔高斯涡旋光束的束腰半径可以控制复合涡旋光束的明暗花瓣与光束中心 间距离; 复合涡旋光束在空间传播过程中表现出衍射展宽和古伊旋转等特性。基于反射式空间光调制 器(SLM)的 光电实验验证了上述结果。本文研究对深入理解复合涡旋光束的形成、分布特征以及其空间 传播特性等提供了一定的理论和实验依据。     

涡旋光束经过轴棱锥后的聚焦特性

研究了涡旋光束通过轴棱锥聚焦后的聚焦特性。利用惠更斯-菲涅耳衍射积分理论推导了涡旋光束经过轴棱锥聚焦后所获得的聚焦光强分布。数值模拟结果表明,涡旋光束经过轴棱锥聚焦后可获得高阶贝塞尔光束。研究了不同锥角的轴棱锥对涡旋光束聚焦特性的影响以及不同拓扑电荷数对聚焦特性的影响。结果表明,在轴棱锥对应的最大准直距离内,所获得的高阶贝塞尔光束保持了原有的无衍射特性。     

轨道角动量叠加态的产生及其检验

带有螺旋相位分布的波束都具有轨道角动量（Orbital Angular Momentum,OAM）,其螺旋相位取决于OAM态拓扑荷数。理论分析了叠加涡旋光束的相位及光场分布,然后将叠加态涡旋光束的相位分布图加载到空间光调制器上产生了多态涡旋光束,讨论了不同拓扑荷数叠加时光场衍射图的分布情况。实验结果表明,叠加态的涡旋光束光场衍射图随着叠加光束拓扑荷数的正负以及数值而呈一定规律性变化,即当叠加的两束光拓扑荷数为异号时,衍射产生的光斑数为两束光拓扑荷数绝对值之和;当叠加的两束光拓扑荷数为同号时,衍射产生的光斑数为两束光拓扑荷数之差的绝对值。通过此性质可以检验涡旋光束的拓扑荷数,为叠加涡旋光束在自由空间光复用通信系统的拓扑荷数检测提供了新的方法。     

异常涡旋光束的拓扑荷的测量

提出了一种测量异常涡旋光束的拓扑荷的方法。在接收孔径之前放置一个特殊样式的掩膜板,通过接收平面的光强图来分辨异常涡旋光束的拓扑荷值。首先采用理论推导的方法得出接收平面光强分布的解析式,然后通过数值仿真得出光强图。研究表明,接收平面上的强度分布图为多环结构,环数与异常涡旋光束的拓扑荷值有关,而与光束阶数无关。研究成果对于促进异常涡旋光束的应用具有重要意义。     

加载光学涡旋的多光束圆形Airy光束的产生与传输

通过对具有加载光学涡旋的圆形Airy光束传输性质的研究,理论分析了笛卡尔坐标系下,利用分区域法加载光学涡旋的多光束圆形Airy光束的产生,并通过傅里叶变换与角谱传输定理,理论模拟了该光束的传输特性,讨论了加载不同拓扑荷数光学涡旋对光束传输特性的影响。结果表明:拓扑荷数的大小对聚焦位置影响不大,但随着拓扑荷数的增加,焦平面上光束中心处的空心尺寸变大,并且光束的突然自聚焦强度降低。由于该研究具有同时产生并在多光束上加载不同拓扑荷数光学涡旋的优点,在光操控多微粒领域及激光治疗等领域具有潜在的应用价值。     

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。     

涡旋光束经双十字光阑的衍射特性研究

设计了一种新型的双十字狭缝光阑,对涡旋光束经过不同的双十字光阑后的衍射特性分别进行了理论模拟和实验分析。研究结果表明,涡旋光束经过双十字光阑后在远场的光强分布为矩形亮斑阵列,选择合适的双十字狭缝的宽、长及中心的位置,可以使图样中的亮斑更清晰;衍射图样的矩形亮斑阵列外围亮斑总个数除以2,即为人射涡旋光束的拓扑荷数的值。双...     

涡旋光场的吸收调制效应及其在超分辨技术中的应用

为开展基于涡旋光场的吸收调制效应超分辨技术 研究,对光场吸收调制效应的标量和矢量两种模型进行了计算分析和比较。选取矢量模型研 究不同拓扑荷、不同线偏振方向 涡旋光束紧聚焦情况下的吸收调制效应,计算经吸收调制后的透射光斑尺寸。结果表明, 涡旋光束的拓 扑荷和偏振方向对吸收调制效应有较大的影响。在文中计算条件下,将拓扑荷为0的x线偏振涡旋光束应 用于吸收调制单点超分辨技术中时,能获得约205nm的理论分辨率。 本文的研究结果,对于吸收调制单 点超分辨技术的研究,特别是通过优化光场分布提高分辨率的研究具有指导意义。     

Experimental measurement of scintillation index of vortex beams propagating in turbulent atmosphere

A microwave photonic link(MPL)with high spurious-free dynamic range(SFDR)is proposed and analyzed.The optical carrier is divided equally into two paths.The path 1 is modulated by radio frequency(RF)signals in a Mach-Zehnder modulator(MZM),and the phase of path 2 is controlled before the combination with path 1.By properly adjusting the phase difference of the two paths with the optical phase shifter,the third-order intermodulation distortion(IMD3)can be significantly suppressed.A proof-of-concept simulation is carried out.The results show that a reduction of 40 d B in the IMD3 and an improvement of 21.1 d B in the SFDR are achieved as compared with the conventional MZM-based MPL.The proposed MPL shows the advantages of simple structure,low cost and high efficiency.