固体激光器涡旋光束产生实验系统设计与实现

高质量的涡旋光束在量子信息、激光雷达、激光通信等领域有着广泛的应用前景。为了用固体激光器直接产生涡旋光束,该文基于谐振腔模式与激光介质作用的速率方程,阐述了在二极管端面泵浦固体激光器中通过环形光泵浦产生拉盖尔-高斯涡旋光的原理。设计了环形光泵浦固体激光器产生涡旋光的实验方案并搭建了实验系统。实验产生了角向阶次为1阶、2阶的涡旋光束,相位涡旋手性可通过微调谐振腔输出镜调节。该实验能够使学生利用固体激光器直接产生涡旋光束并观察涡旋光束的相位特性,有助于学生加深对激光谐振腔模式理论及涡旋光束相位特性的理解,为相关专业学生的课程教学提供有力支撑。

基于简单无参注意力卷积神经网络的涡旋光束模态识别

由于大气湍流的影响,涡旋光在大气中传播时会产生相位畸变,造成接收端模态检测困难,导致通信系统的可靠性降低。为提高涡旋光束模态检测准确率,提出了利用简单无参注意力卷积神经网络(S-ConvNeXt)检测拉盖尔-高斯光束模态的算法。结果发现:该网络可有效聚焦于关键亮斑特征。当光束分别经过较弱湍流、中等湍流、较强湍流和强湍流传输2 km后,本征态检测准确率分别为100%、98.8%、96.4%和89.7%,叠加态检测准确率分别为100%、99.8%、98.8%和96.5%。在强湍流下,S-ConvNeXt网络本征态检测准确率比ResNet50、ShuffleNetV2、ConvNeXt网络分别提高5.7%、3%、1.2%,叠加态检测准确率分别提高5.7%、4%、0.9%。S-ConvNeXt网络能够有效提高模态检测准确率,尤其在强湍流条件下表现更好。

贝塞尔涡旋光束经水下气泡幕传输衰减特性研究

利用涡旋光束与水下气泡的相互作用,可以实现对水下航行体的快速、准确探测和跟踪,基于贝塞尔涡旋光束经过球形粒子散射Mie理论,并通过等效折射率的方法,研究了贝塞尔涡旋光束与微小气泡的相互作用规律。在考虑洁净水的吸收、散射作用以及水下气泡散射作用的基础上,分析了不同光源参数下贝塞尔涡旋光束在水下气泡环境中的传输功率衰减。

异常涡旋光束在吸收性海洋湍流中的传输特性研究

为了分析海水的吸收和湍流特性对涡旋光束传输性能影响,在同时考虑海水的吸收效应和湍流效应的基础上,推导出了异常涡旋光束的轨道角动量(OAM)模式探测概率的解析表达式,并详细讨论了吸收性湍流海水对异常涡旋光束的螺旋相位谱、探测概率以及串扰概率的影响。仿真结果表明:海水的吸收效应不可忽略,它会导致探测概率下降;吸收性海洋湍流会导致螺旋相位谱扩展,并且随着OAM模式数的增加,螺旋相位谱的扩展程度变大;随着海洋湍流的温度方差耗散率、温度与盐度贡献比的减小,以及湍流动能耗散率的增大,OAM模式的探测概率增大,串扰概率减小。

海洋湍流下双拉盖尔-高斯涡旋光束的闪烁指数与误码率研究

采用功率谱反演法模拟了同轴叠加产生的双拉盖尔-高斯涡旋光束(Double Laguerre-Gaussian Vortex Beam,DLGVB)在海洋湍流中传输时的光强和相位分布,仿真分析了DLGVB光束在不同海洋湍流参数下的闪烁指数以及在基于开关键控调制的水下光通信系统中的通信误码率。结果表明,随着湍流动能耗散率的减小,盐度温度波动平衡参数、温度方差耗散率及传输距离的增加,闪烁指数逐渐增加;随着湍流动能耗散率以及拓扑电荷差值的增加,误码率减小。在海洋湍流环境下,使用DLGVB光束进行传输可以抑制海洋湍流带来的干扰,选择最佳的拓扑电荷差值,可以有效提高传输通信质量及通信系统容量。本文研究结果对涡旋光束及其叠加态在海洋湍流下传输特性研究及水下光通信系统持续扩容的发展需求方面具有重要的参考价值。

基于改进Xception实现涡旋光束轨道角动量识别

当光束在海洋中传输时,湍流的存在会严重影响光束的质量,导致接收端光场产生扭曲和退化现象。为解决该问题,提出一种基于改进深度可分离网络(IXception)的方法,用于实现通过海洋湍流传输的涡旋光束轨道角动量模态识别。采用分步相位屏的思想,基于功率谱反演法仿真涡旋光束在海洋中的传输过程,并建立入射光场发生的退化、扭曲的散斑场数据集,用数据集来训练IXception识别散斑场中涡旋光束的轨道角动量。IXception延用Xception架构思想,结合了残差结构和倒置残差结构,能够提取高度空间深度特征,减少网络结构参数的冗余,增强泛化能力。研究结果表明,IXception在20 m和80 m湍流中对扭曲光场轨道角动量的识别率达到了99.20%与97.9%。随着传输距离的增加,IXception的识别率会略有降低,但与Xception模型相比,IXception识别性能更好。

基于相干合成涡旋光束的离轴入射转速测量

基于涡旋光束旋转多普勒效应的转速测量技术,在实际应用中面临探测涡旋光功率低、难以严格沿转轴入射、轨道角动量谱扩散严重等问题,直接影响转速测量的距离和精度.阵列光束相干合成高质量、高功率的涡旋光束,是提高回波信号强度最直接的技术方法.本文在光纤激光阵列相干合成涡旋光束转速测量实验装置的基础上,开展了离轴入射条件下的相干合成涡旋光束目标转速测量的理论建模和实验验证研究.首先,对离轴入射相干合成涡旋光的轨道角动量谱进行了理论研究,建立了基于旋转多普勒效应的相干合成涡旋光束目标转速解调的一般模型.其次,进行了离轴入射情况下的目标转速测量实验,实验结果验证了该转速解调普适模型的有效性.该研究可为基于涡旋光束旋转多普勒效应的远程探测应用提供技术参考.

涡旋光束的产生研究进展

涡旋光束是一种具有螺旋型相位分布的光束,在光学操控、光学传感、光通信、显微镜和量子纠缠等领域有着广泛的应用。对涡旋光束的概念和产生方法进行了介绍。重点回顾了国内外在近五年在连续涡旋光束、脉冲涡旋光束、基于非线性效应的涡旋光束和涡旋微型激光器领域的最新进展,同时对其发展趋势进行了分析和展望。

一维阵列涡旋光束在海面大气中的传输特性

相较于单涡旋光束,涡旋阵列光束能够扩充信息的传输容量,研究其传输特性对其光通信应用具有重要意义。本文选取阶数为n的螺旋因斯-高斯(HIG_(n,n))模式,采用海上大气折射率变换的功率谱,模拟海面大气湍流。基于相位屏法研究了一维阵列涡旋光束在海面大气湍流中光强、相位、闪烁因子和质心漂移的变化情况。结果表明:(1)HIG_(n,n)模式的闪烁因子和质心漂移标准差随湍流强度以及大气湍流内尺度的增加而增加;(2)n为奇数的HIG_(n,n)模式的闪烁因子随着阶数的增大而减小,且高于n为偶数的HIG_(n,n)模式;(3)阶数n>1的HIG_(n,n)模式比LG_(0,1)模式具有更好的稳定性;(4)阶数越高,HIG_(n,n)模式的质心漂移标准差越小。其次,选取线性阵列涡旋光束(LAVBs)进行对比,研究得出虽然LAVBs比HIG光束具有更好的传输性能,但由于HIG光束具有独特的结构,故可适用于不同的应用场景。最后,分析了椭圆参量和椭圆环数对HIG模式传输的影响,结果表明适当地增大椭圆参量或椭圆环数有助于提高HIG模式的抗湍流能力。本文研究结果对涡旋光束的海上应用具有指导意义。

基于改进Vision Transformer的复合涡旋光束识别

为提高涡旋光通信的编码效率和解码正确率,使用两束携带不同相邻轨道角动量和径向指数的涡旋光叠加产生16种形状相似的光强分布图并用4位二进制对其进行编码,为针对大气湍流对光强分布的影响,提出了使用稀疏注意力算法优化的Vision Transformer神经网络模型,将受强湍流影响下的光强分布图作为输入进行训练,从而实现对畸变的信息进行精确识别。仿真实验表明:该模型在识别受较强程度湍流影响的涡旋光束的正确率可达95.5%且对局部细节分辨更加准确;并验证强湍流条件下,不同波长、传输距离下的识别准确率均有良好表现,体现了模型的鲁棒性和泛用性。

基于涡旋光束传输的水下航行器尾流流场探测

涡旋光场轨道角动量(OAM)在自由空间衍射中是保持不变的,而在湍流层中由于流场内部存在拟序结构,导致OAM谱分布对称性破缺,且OAM也会发生改变。文中研究了基于OAM谱分布对称性破缺效应对流场流动结构进行探测的机理,初步分析了将涡旋光场OAM应用于水下航行器探测的可行性并给出相关试验结果。此外,根据光场总OAM也会发生改变的特性,结合交叉OAM矩阵法,阐述了基于OAM对不同流场特征进行辨识的理论依据。最后研究了涡旋光场对水介质的感知特性,结合数值仿真结果,提出了1个基于OAM传输特性探测水下航行器的技术构想。

部分相干径向偏振环形艾里涡旋光束在大气湍流中的传输特性研究

为了探究部分相干径向偏振环形艾里涡旋光束在大气湍流中传输时的光强闪烁特性,利用分步相位屏法研究了其在各项异性湍流中的传输特性。结果显示:随着传输距离的增大,闪烁指数首先逐渐增大,当达到最大值后再逐渐减小。当传输距离一定时,闪烁指数随着相干长度的增大而增大。随着截断因子的减小,拓扑荷数的增大,闪烁指数减小。随着相干长度、拓扑荷数的增大,部分相干径向偏振环形艾里涡旋光束保持偏振特性的能力增强。

克尔效应对两种特殊涡旋光束传输特性的影响

完美涡旋光束与环形艾里高斯涡旋光束在传输过程中能够克服衍射的影响,保持较为集中的光能量分布。当光束能量较高时,远程传输过程中这两种光束都会受到克尔效应的影响。利用分步傅里叶方法分析和比较了两种光束在克尔效应影响下的传输特性,重点讨论了入射光强和拓扑荷数变化时光束能量的变化规律。结果表明,受衍射和克尔效应共同作用,在大气中传输时两种涡旋光束的能量分布都将随传输距离的增加发生周期性变化,且能量分布变化周期随入射光强增大而减小,而且随着拓扑荷数的增大,光束稳定性也增强。相比而言完美涡旋光束的形状保持能力更好,能量演变更加平稳。

多涡旋光束叠加干涉特性分析

光学涡旋具有特殊的波前结构和以及确定的光子轨道角动量,使其在很多领域有着广泛的应用。涡旋光束有着环形光强度分布,螺旋的波前构造光柱,不仅仅具备自旋的角动量而且还另外具备轨道角动量。本文首先介绍了环形涡旋光,拉盖尔-高斯光束以及贝塞尔-高斯光束,并在MATLAB中,对同频率不同种类的涡旋光束进行了干涉仿真,得到了不同的复合光学涡旋及强度分布特征,并对出现的不同仿真结果进行了分析。

超表面实现复杂矢量涡旋光束的研究进展

作为一种人工微纳器件,超表面能够对光束的传播和相位进行精确的调控。具有不同偏振矢量特性的涡旋光束具有独特的光场分布特性,利用超表面生成复杂状态的矢量涡旋光场具有越来越广泛的研究前景。本文针对产生矢量涡旋光束超表面的材料进行分类,介绍了金属超表面、全介质超表面和智能超表面在矢量涡旋光束生成和调控方面的研究进展。我们详细阐述了超表面利用不同相位理论对入射波前调制的原理和超表面生成的不同矢量涡旋光束的特性,并探讨了这两者之间的联系。此外,我们总结了利用超表面代替传统光学器件生成矢量涡旋光束的优势,并展望了未来利用不同材料的超表面进行矢量光场调控研究方面的挑战和可能性。

风控热晕对双模涡旋光束大气传输的轨道角动量和相位奇异性的影响

本文研究了不同风向和风速下大气非线性热晕效应对双模涡旋光束轨道角动量(orbital angular momentum,OAM)和相位奇异性的影响.由于不同模式叠加的双模涡旋光束具有不同的对称性,热晕效应对其的影响不仅与风速有关,还与风向密切相关.研究发现:在一定风向角度下,风速越小,热晕效应越强,OAM值越大,即热晕效应促进了双模涡旋光束的OAM增大.因此,在一定风向以及风速下双模涡旋光束可以获得大于自由空间的OAM,并且大于单模涡旋光束的OAM.模式越高的光束需要更小的风速才能使得OAM值大于自由空间中的OAM值.此外,构成双模涡旋光束的两束子光束的拓扑荷数相差越大,不同风向下其OAM值越稳定.另一方面,还研究了风控热晕效应对线刃型位错奇点演化的影响,研究表明:线刃型位错线和风向垂直时,位错线消失;线刃型位错线和风向平行时,位错线始终存在;线刃型位错线和风向为钝角或锐角时,位错线演化为光学涡旋对.上述研究结果对激光大气传输和光通信领域具有理论指导意义.

等离子体中涡旋光束自聚焦与成丝现象的模拟研究

涡旋光束在低密度等离子体传输过程中出现的非线性物理效应与光子携带的轨道角动量(拓扑荷)存在密切关联.基于亥姆霍兹方程理论获得描述涡旋光束传输的旁轴近似方程,解析求出涡旋光束在低密度等离子体中传输的自聚焦临界功率表达式.利用分步傅里叶数值方法,针对不同参数条件下涡旋光束的自聚焦和成丝现象进行了模拟分析.研究结果表明,涡旋光束的拓扑荷数决定了自聚焦临界功率大小.涡旋光束发生成丝不稳定性现象的功率阈值和最大成丝数目与拓扑荷数存在密切关联.

石墨烯表面涡旋光束的局域动力学特性分析

结合角谱展开方法和矢量势方法,推导了拉盖尔高斯涡旋光束在石墨烯表面反射后的电磁场分量显式表达式。分析了光束的入射角和拓扑荷数,以及石墨烯-衬底系统的费米能量和磁场对涡旋光束在石墨烯表面反射后局域动力学特性的影响。数值结果表明,石墨烯表面反射涡旋光束的能量、动量、自旋/轨道角动量密度分布随着光束入射角和拓扑荷数的变化发生显著变化。同时,改变石墨烯-衬底系统的费米能量和磁场可以有效调节反射涡旋光束的局域动力学特性。为基于涡旋光束局域动力学特性对石墨烯的表征以及基于石墨烯对涡旋光束的调控奠定了理论基础。

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。

基于相干合成涡旋光束光场分布角向不变性的评价函数构建及其应用研究

大气湍流引入的波前畸变导致相干合成涡旋光束质量劣化,需进行波前畸变校正。基于相干合成涡旋光束光场分布的角向不变性,通过像清晰度函数提取明暗干涉条纹区域的总光强,构建角向条纹对比度评价函数,将评价函数应用于随机并行梯度下降算法,可以实现单环以及双环阵列结构的相干合成涡旋光束波前畸变自适应校正。仿真实验结果表明,相较于光强相关系数等传统评价函数,以角向条纹对比度作为评价函数的随机并行梯度下降算法具有校正性能好、收敛速度快的优点。此外,单环和双环结构相干合成涡旋光束的波前校正结果均验证了角向条纹对比度作为相干合成涡旋光束评价函数的有效性及优势。