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．     

从平面波的线性干涉到涡旋光的角向干涉

依托中学生“英才计划”课题，以光场调控技术为选题，开展了从平面波线性干涉到涡旋光角向干涉演化过程的实验教学.从理论上模拟了涡旋光束与平面波的相干叠加，通过数值分析确认了拓扑荷数与干涉条纹的关系.实验上利用螺旋相位板制备涡旋光束，并采用马赫-曾德尔干涉法观测光强分布图.结果表明：涡旋光束与平面波的相干叠加，可以视为在线性干涉图样中移入与拓扑荷数相关的叉型条纹；而具有相反拓扑荷数的涡旋光束的角向干涉图样，则呈现与拓扑荷数相关的角向干涉条纹.     

分光棱镜干涉法测量涡旋光束拓扑荷

理论分析并实验研究了涡旋光束通过单分光棱镜后的自干涉现象.研究结果表明,不同于涡旋光束与平面波或者球面波干涉,涡旋光束自干涉条纹呈"扭曲"状,且在干涉条纹边缘处会出现"断裂"条纹,其数目随着涡旋拓扑荷数增大而增大,且"断裂"条纹的指向与拓扑荷符号相关.上述结论提供了一种原理和操作简单的测量涡旋光束拓扑荷数的方法.     

螺旋微孔阵列对涡旋光束的调制机理研究

从理论和实验上研究涡旋光束通过具有费马螺线分布微孔结构的衍射板后拓扑荷数的变化情况,以及光束强度分布的衍射和聚焦特性。利用一个正透镜对衍射光束进行聚焦,观察和研究聚焦光束在焦平面后一定范围内的光强分布变化情况。衍射光束的最内环光强分布在束腰前后约有五个变化阶段。这一变化趋势适用于涡旋光束通过微孔沿不同费马螺线分布的衍射板的情况,无论是螺线旋转方向的改变,还是螺线结构数目的改变。通过衍射光束与球面波的干涉来验证拓扑荷数的变化规律。结果表明,这种衍射可以产生新的拓扑荷数,其变化与入射涡旋光束的相位波前和螺旋微孔阵列的相对旋向有关。     

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.     

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。     

用四台阶相位板产生涡旋光束

涡旋光束的产生与应用是当前光学领域的研究热点. 利用傅里叶级数展开法分析了四台阶相位板的相位结构, 发现四台阶相位板可看作是由一系列不同拓扑荷数的螺旋相位板所组成, 用线偏振光直接照射相位板时, 将产生多级衍射光波, 各级衍射光均为不同拓扑荷数的涡旋光波, 由于多级衍射光波间的干涉导致光强分布偏离轴对称分布, 因而与涡旋光波有一定差距. 在此基础上, 提出了用四台阶相位板产生涡旋光束的新方案, 借助于Mach-Zehnder 干涉仪光路, 两块四台阶相位板产生的衍射光干涉叠加, 通过调节干涉仪光路的相位差, 使一部分衍射级干涉相消, 另一部分衍射级干涉相长, 相互加强, 从而把线偏振光转换为涡旋光束. 数值模拟计算了几种周期数不同的四台阶相位板衍射光强和角动量分布, 并与螺旋相位板进行比较, 证明用简单的四台阶相位板不仅能够获得与用螺旋相位板相同的涡旋光束, 而且可以用周期数较小的四台阶相位板产生具有大拓扑荷数的涡旋光束, 降低了制作相位板的难度.     

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.     

线偏振相位涡旋光束的像散特性

提出采用像散系数表征涡旋光束的像散特性。利用螺旋相位板产生了线偏振相位涡旋光束,并对其光束质量及像散特性进行了实际测量。数值模拟了不同拓扑荷数的涡旋光束的传输特性及光束质量,分析了像散系数随拓扑荷数变化的规律,结果表明:当拓扑荷数为整数时,光束无像散,像散系数为零;当拓扑荷数为半奇数时,光束的像散特性明显,像散系数达到极大值;随着拓扑荷数整数部分的增加,像散系数的极大值减小。     

涡旋光束经杨氏双缝干涉后的光谱变化

从完全相干光的传输定理出发,研究了完全相干涡旋光照射在双缝上,干涉场中的光谱变化。研究结果表明,和普通的完全相干光(平面波)经双缝干涉的光谱变化相比较,涡旋光束的光谱变化情况显得更加丰富。研究了相对平均频率的变化,发现相对平均频率将随着源光谱的宽度,拓扑荷数以及观察点位置的变化而变化。给出了对应于不同拓扑荷数,一个固定观察面的相对平均频率的分布情况。     

Experimental verification on tightly focused radially polarized vortex beams

The theoretical and experimental results of tightly focused radially polarized vortex beams are demonstrated. An auto-focus technology is introduced into the measurement system in order to enhance the measurement precision, and the radially polarized vortex beams are generated by a liquid-crystal polarization converter and a vortex phase plate. The focused fields of radially polarized vortex beams with different topological charges at numerical apertures （NAs） of 0.65 and 0.85 are measured respectively, and the results indicate that the total intensity distribution at focus is dependent not only on the NA of the focusing objective lens and polarization pattern of the beam but also on the topological charge l of the beam. Some unique focusing properties of radially polarized vortex beams with fractional topological charges are presented based on numerical calculations. The experimental verification paves the way for some practical applications of radially polarized vortex beams, such as in optical trapping, near-field microscopy, and material processing.     

Adaptive correction of vortex laser beam in a closed-loop system with phase only liquid crystal spatial light modulator

We propose and demonstrate the wave front correction of a vortex laser beam by using dual phase only liquid crystal spatial light modulators (LC-SLMs) and a stochastic parallel gradient descent (SPGD) algorithm. One phase only LC-SLM is used to generate vortex laser beam by loading spiral phase screen onto the wave front of input quasi-Gaussian beam. The other phase only LC-SLM under SPGD controller based on the subzone control method adaptively compensates the wave front of vortex laser beam. Numerical simulation and experimental results show that after correction, vortex doughnut like beam is focused into a beam with airy disk pattern distribution in the far field. The adaptive corrections of vortex laser beam with different optical topological charges are studied. The results show that the optical topological charge has little influence on adaptive correction. The powers in the main lobe of far field intensity distributions of vortex laser beams with different optical topological charges are all greatly improved by adaptive correction. The technique proposed in this paper can be used in optical communication, relay mirror and atmospheric turbulence correction.     

Measuring the topological charge of integer and fraction vortices using multipoint plates

The topological charge of integral vortex beams with a single circle of multipoints has previously been measured. In this work, we theoretically and experimental study the diffraction patterns of vortex beams of integral and fractional topological charges using a single circle and two circles of multipoint plates. It is found that the diffraction patterns are dependent not only on the multipoint plates, but also on the topological charge of the vortex beams. On the basis of this property, we can measure the topological charges of integral and fractional vortex beams.     

数字全息术测定涡旋光束拓扑电荷数

提出了一种基于数字全息技术测定涡旋光束拓扑电荷数的方法.该方法通过数字全息技术获取涡旋光束和参考光的全息图并重构出涡旋光束的波前相位,判定相位围绕相位奇点的周期性分布来测定涡旋光束的拓扑电荷数.在拓扑电荷数取值分别为整数和分数的情况下,通过对数值模拟和实验结果的比较,表明该方法能够较准确地测定出拓扑电荷数.     

Estimating topological charge of propagating vortex from single-shot non-imaged speckle

Encoding information using the topological charge of vortex beams has been proposed for optical communications. The conservation of the topological charge on propagation and the detection of the topological charge by a receiver are significant in these applications and have been well established in free-space. However, when vortex beams enter a diffuser,the wavefront is distorted, leading to a challenge in the conservation and detection of the topological charge. Here, we present a technique to measure the value of the topological charge of a vortex beam obscured in the randomly scattered light. The results of the numerical simulations and experiments are presented and are in good agreement. In particular, only a single-shot measurement is required to detect the topological charge of vortex beams, indicating that the method is applicable to a dynamic diffuser.     

涡旋光束在湍流大气中的传输特性

根据广义的惠更斯-菲涅耳原理, 研究了涡旋光束在湍流大气中的传输特性。研究结果表明, 涡旋光束在湍流大气中传输时, 截面光强会从空心分布转化为高斯分布。光束所带的拓扑电荷数以及大气湍流均会影响光强分布的变化。研究结果还表明, 涡旋光束能够抑制大气湍流对光束扩展的影响, 这一现象得到了实验上的证实。通过杨氏双缝干涉的方法, 还研究了涡旋光束经过湍流大气传输后的拓扑电荷数。研究发现, 涡旋光束经过湍流大气后, 拓扑电荷数将发生波动。     

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.