超高斯涡旋光束在空间中的传输特性

研究了超高斯涡旋光束光强最大值、光斑半径以及环围能量半径等参数随传输距离和拓扑荷数的变化规律,并与高斯涡旋光束做了比较,结果表明:超高斯涡旋光束的光斑半径和环围能量半径随拓扑荷数及传输距离呈近似线性关系;对同一拓扑荷数和传输距离,高斯涡旋光束的能量较超高斯涡旋光束要发散;当拓扑荷数较大时,超高斯涡旋光束的光斑半径比高斯涡旋光束更大。针对光束质量研究了广义光束质量因子随传输距离和拓扑荷数的变化,结果表明传输距离足够远时,拓扑荷数较小的超高斯涡旋光束具有更好的光束质量。     

分数阶双涡旋光束的实验研究

具有分数阶拓扑荷数的涡旋光束的产生及其传输是近几年来人们感兴趣的研究课题． 本文提出了一种新型的分数阶双涡旋光束, 该光束是由两束带有不同分数阶拓扑荷数的涡旋光束共轴叠加产生, 其光强分布为双环结构．我们对该光束分别进行了理论模拟和实验研究．研究表明, 分数阶双涡旋光束的双环携带不同的轨道角动量, 且相互独立地传输．这种新型的涡旋光束相对于整数阶或单个分数阶拓扑荷数的涡旋光束更具有控制多样性, 有望在光学镊子、光学扳手等微粒子操控领域开发新的应用．     

多环涡旋光束的实验研究

涡旋光束的产生、传输与应用是当前光学领域热门的研究课题之一.本文提出的新型多环涡旋光束,包括双环涡旋及三环涡旋光束,它是由多束携带不同拓扑电荷数且束腰半径不同的拉盖尔-高斯涡旋光束共轴叠加而成,其光强分布为多环结构.从理论上研究了多环涡旋光束的形成与分布特征,基于共轭对称延拓Fourier计算全息方法生成了多环涡旋光束的计算全息图,并利用一个空间光调制器实验产生了与理论一致的高质量的多环涡旋光束.研究表明多环涡旋光束的各环携带不同的轨道角动量,空间分布保持相互独立.这种新型的多环涡旋光束相对于携带单一拓扑电荷数的涡旋光束,提供了更多的控制参数和更加多样化的结构分布,因此在光学镊子、光学捕获等微操控以及光通信领域具有潜在的应用潜力.     

双层花状光学涡旋晶格产生及特性研究

利用束腰半径不同的奇模和偶模因斯高斯光束同轴叠加，产生了一种双层花状光学涡旋晶格，通过实验与数值模拟对所提出的双层花状光学涡旋晶格进行分析研究。结果表明：由束腰半径不同的奇模和偶模因斯高斯光束叠加而成的光学涡旋晶格中的涡旋呈单层或双层分布，且不同层涡旋点的拓扑荷值大小相等，符号相反；当奇偶模因斯高斯光束之间的束腰半径差距逐渐减小，涡旋分布由双层变为单层；此外，可以通过改变奇偶模因斯高斯光束之间的相位差，实现涡旋符号的调控。该研究结果极大地丰富了光学涡旋晶格的空间模式分布，在微粒操纵领域有着潜在应用。     

平面涡旋光干涉的分析

光学涡旋具有独特的相位奇点和螺旋相位结构, 多个涡旋光场之间的干涉呈现出新颖的强度和相位分布特征.通过在平面波背景中嵌入涡旋相位产生平面涡旋光场, 采用数值模拟方法研究了多个平面涡旋光场之间的干涉, 并分析了两个平面涡旋光场的中心间距及拓扑荷值对涡旋产生和湮灭的影响.进一步数值研究了对称分布的多个点涡旋光之间的干涉, 结果表明通过改变涡旋光束数目或者拓扑荷值, 可获得不同分布的对称涡旋阵列光场.利用计算全息并通过空间光调制器, 实验上实现了具有不同拓扑荷值的多个对称点涡旋光场的干涉, 其干涉图样与模拟结果吻合.实验结果不仅证实了数值模拟结果, 也为实验研究复杂涡旋光场的干涉提供了一种有效方法.     

完美涡旋光束在大气湍流中的斜程传输特性

完美涡旋（POV）光束具有光束半径与拓扑荷数无关的特点,与其他涡旋光束相比具有更加稳定的空间强度分布特性。利用多相位屏法和傅里叶变换法,分析了POV光束在大气湍流中的斜程传输特性。采用光束漂移和孔径平均闪烁指数作为大气湍流影响光束质量的评价参数,对比了POV光束与高斯涡旋光束在相同传输条件下的光束质量。结果表明：相比于高斯涡旋光束,POV光束的光束稳定性更好。当拓扑荷数增大或天顶角减小时,POV光束抵抗大气湍流的能力增强。在不改变POV光束拓扑荷数的前提下增大其光束半径,也能提高POV光束对大气湍流的抵抗能力。     

湍流大气中涡旋光束的光强分布及光学涡旋的漂移

数值模拟了拉盖尔-高斯涡旋光束在湍流大气中传输时的光强分布和光学涡旋的漂移。由模拟结果可知,当涡旋光束在湍流大气中传输时,光强分布由最初的环形结构变为平顶结构,最终在远场演化为高斯分布;光强廓线的演变过程与传输距离、湍流强度、湍流外尺度、涡旋光束拓扑荷数、束腰宽度以及光波长有关,与湍流内尺度无关。光学涡旋在接收面的不同位置处出现的频次满足高斯分布;随着传输距离的增加、湍流的增强或涡旋光束拓扑荷数的增加,光学涡旋的漂移范围增大且在不同位置处出现的频次偏离高斯分布;适当选择涡旋光束的束腰宽度会减小光学涡旋的漂移。     

利用柱透镜调控涡旋光束的拓扑结构

提出了一种利用柱透镜调控涡旋光束拓扑结构的方法.利用计算全息法制作的叉形光栅掩模板,实验获得了具有不同拓扑荷的涡旋光束,分析了涡旋光束通过柱透镜变换后的强度和相位分布.结果表明,涡旋光束经柱透镜变换后,其拓扑荷符号将发生改变,并且高阶涡旋光束退化为多个分离的一阶涡旋光束.利用高阶激光模式的线性叠加特性以及古依相移对实验结果进行了理论解释,并通过数值模拟对实验结果进行了验证.     

涡旋光束形成的散斑场光强和相位的分布特性

通过对不同拓扑荷的涡旋光束经随机表面散射后在衍射区形成的横向和纵向光强分布的模拟,发现散斑颗粒的横向和纵向的平均尺寸比用高斯光束照明随机表面产生的散斑颗粒平均尺寸小很多,并且随着涡旋光束拓扑荷和光斑半径的增大而减小,同时散斑场相位涡旋的密度随着涡旋光束拓扑荷和光斑半径的增大而增大。利用这种方法可以方便地选择不同拓扑荷和光斑半径的涡旋光束照射随机表面,得到合适的散斑颗粒来捕获更小的微粒。这种结果还可以用来降低散斑噪声。     

幂指数相位涡旋光束用于微粒操控

实验验证了一种利用幂指数相位涡旋光束(PEPV)操控微粒的方法。该方法基于幂指数相位涡旋光束理论,产生不同拓扑荷数与方位角幂指数大于1的涡旋光场的相位全息图,并将该全息片经计算机输入到空间光调制器(SLM)上用于调制入射激光光束。利用透镜对被调制光束进行傅里叶变换,利用光阑在频域对衍射光斑进行筛选和过滤,并利用倒置高倍光学显微镜将光束成像于载物台样品上。利用该幂指数相位涡旋光束对微米级粒子实现了定向光学输运。研究结果表明,该光束在粒子的定向输送与收集方面有独特的功能,将进一步拓展光学涡旋光束的实际应用范围。     

大气湍流中部分相干聚焦涡旋光束的传输特性

基于广义惠更斯-菲涅耳原理和相位结构函数的平方近似,研究了部分相干高斯-谢尔模型涡旋光束被聚焦后在大气湍流中的传输特性,得到了焦平面上光强解析表达式.利用该表达式,详细研究了该类光束在大气湍流中传输焦平面上的光强分布特性.结果表明：在大气湍流中,随着传输距离的增加,涡旋光束的奇异性逐渐降低.对于拓扑荷大的以及空间相干长度较长的涡旋光束,光束奇异性的保持相对要好.在一定的焦距长度和湍流大气条件下,我们可以通过调整光源的拓扑荷和相干长度控制焦面光强分布和焦斑大小.另外,有一定拓扑荷的涡旋光束可以在一定程度上降低大气湍流对传输光束焦面光强分布的影响.     

大气湍流中高斯空心涡旋光束的焦面光强分布

运用广义惠更斯-菲涅耳原理和相位结构函数的平方近似,研究了聚焦高斯空心涡旋光束通过湍流大气传输后在焦平面内的光强分布的理论模型,同时分析了不同大气折射率结构常数C2n、聚焦距离、光束拓扑荷和湍流外尺度对焦面光强分布特性的影响.结果表明:随着聚焦距离的增加,焦面光强分布由中央凹陷状向高斯分布转变.弱湍流对焦面光强分布的影响可以忽略;高拓扑荷光束在湍流大气中传输时光波奇异性的保持较低拓扑荷奇异光束要强;随着湍流外尺度增加,焦面光强分布的中央凹陷状变浅,光强分布变平滑.     

Generation of Circular Optical Vortex Array

We report on a novel optical vortex array named circular optical vortex array, which is generated by the superposition of two concentric perfect optical vortices. The circular optical vortex array has a constant topological charge of +1 or ?1, the number and sign of which are determined by the topological charges of the two perfect optical vortices. Moreover, the radius of the circular optical vortex array is easily adjusted by using the cone angle of an axicon. Furthermore, the circular optical vortex array and multiple circular optical vortex array can be rotated by changing the initial phase difference of the perfect optical vortices on demand. This work demonstrates a complex structured optical field, which is of significance for applications such as optical tweezers, micro‐particle manipulation, and optical imaging.     

Focusing properties of Gaussian beam with mixed screw and conical phase fronts

Vector diffraction theory is employed to investigate the focusing properties of the Gaussian beams with mixed screw and conical phase fronts. Numerical simulations show that the Gaussian beams with screw-conical phase fronts are different from both the ordinary Laguerre-Gaussian beams and the higher-order Bessel beams. Rather than forming the ring-shaped intensity distributions characteristic of optical vortices, focusing the Gaussian beams with screw-conical phase fronts produce non-symmetric spiral intensity distributions at the focal plane. The intensity distribution forms a counter-clockwise non-symmetric screw path around the focus. The rotation of intensity distributions was observed in the focal plane. The gradient force patterns of these beams focused with high NA are also investigated. The results show that the gradient force pattern shape depends principally on parameter topological charge n of the phase distribution. The gradient force pattern expands with increase in the parameter m of the phase distribution. Therefore, one can change the topological charge n or the parameter m of the phase mask to construct the tunable optical trap to meet different requirements. Its potential application might include rotational positioning of particles and accumulation of smaller non-symmetric particles towards the focus.     

利用全息法在偶氮聚合物薄膜中记录涡旋光场

利用全息技术在偶氮聚合物薄膜中记录了拓扑荷数q=–1,1,2,4的涡旋光场,并将记录的原始叉形光栅与计算全息光栅进行对比,对不同拓扑荷数涡旋光的记录速率和偶氮材料的可重复擦写性能进行了测试;记录完成后,将复现涡旋光与高斯光束干涉,并与原始涡旋光和原始叉形光栅对比,分析了记录质量.实验结果表明:高阶涡旋光场的全息叉形光栅会在记录过程中发生劈裂,轻微劈裂的涡旋光束仍维持一个稳定的环状结构;全息记录过程中不同拓扑荷数的涡旋光束记录速率较为统一,偶氮材料可经过上百次的擦写而不出现疲劳;再现涡旋光与原始涡旋光在光强分布结构上保持高度一致,再现涡旋光的干涉条纹与原始涡旋全息光栅保持高度一致,涡旋光及其携带的拓扑荷信息可被有效记录和读取.     

4Pi focusing of spatially modulated radially polarized vortex beams

We propose a method for generating focal beams with special intensity distributions using radially polarized vortex beams in a 4Pi configuration. A spherical dark-hollow beam and hollow beam array can be obtained by vortex beams with topological charge of m=1. A dark channel can be generated using vortex beams with topological charge of m=2. The length of the well-defined hollow beam array and the dark channel is about 30λ. These interesting beams are useful in optical trapping and manipulation.     

Power coupling of Gaussian vortex beam propagation through an optical system with the Cassegrain-telescope receiver in turbulent atmosphere

Model of Gaussian vortex beam propagation through an optical system with the Cassegrain-telescope receiver in turbulent atmosphere is established. With this model, the analytical formulas of the average intensity distribution at the receiver plane are derived, and the influences of the optical topological charge, the propagation distance and the turbulence strength are numerically analyzed. These studies show that optical power at the receiver plane concentrates in an annular area, which is suitable for power coupling by the Cassegrain-telescope receiver; the optical topological charge of the vortex source need to be optimized to access the most power coupling. Under the H-V 5/7 turbulence model, power coupling efficiencies of the optical system with different parameters are calculated. Results show that in comparison with the Gaussian beams, Gaussian vortex beams have great advantages in power coupling of optical systems with the Cassegrain-telescope receivers in turbulent atmosphere, which can be a new attractive application of the vortex beams.     

Enhancement of Autofocusing Performance for Circular Arrayed‐Airy Vortex Beams

Numerically and experimentally circular arrayed‐Airy vortex beams (CAAVBs) are demonstrated, of which propagation dynamics and autofocusing performance are investigated. In contrast to the classical circular Airy beams, the focal intensity of CAAVBs can be abruptly enhanced several orders of magnitude by introducing vortex arrays (VAs) and increasing Airy arrays number, and the autofocusing performance markedly increases in the focal plane due to introducing VAs. The position of the focal point can be readily controlled by varying the circular arrayed Airy radius is also demonstrated. Experimental results agree with the numerical calculations. These advantages could be beneficial for potential applications in optical trapping, the generation of high intensity laser, medical treatment, and nonlinear effect.     

离轴平顶高斯涡旋光束形成的合成光涡旋及其在自由空间中的传输

对两束拓扑电荷m_1,2=±1的平行、离轴平顶高斯涡旋光束在束腰面叠加形成的合成光涡旋及其在自由空间的传输做了研究.详细的数值计算和分析表明,合光涡旋的位置、数目和净拓扑电荷与光束的控制参数,包括相对位相,振幅比,束腰宽度比,相对离轴参数,光束阶数,以及传输距离有关,但拓扑电荷不总是守恒. 关键词： 奇点光学 合成光涡旋 平顶高斯涡旋光束 拓扑电荷     

Conversion of topological charge of optical vortices in a parametric frequency converter

It is shown that sum-frequency generation of light beams with vortices allows to construct vortices of different topological charges. An optical parametric amplifier enables to produce a vortex with opposite topological charge (to the reverse vortex). In this way, a frequency converter can be seen as a prototype of an optical processor which allows to produce simple arithmetical operations with topological charges of the interacting vortices.