基于二维叉形光栅的涡旋光束分束阵列产生

首先设计了一种二维叉形光栅结构,并基于夫琅禾费衍射理论,得到了高斯光束通过该光栅的焦平面场分布表达式。数值模拟结果表明,当高斯光束通过二维叉形光栅调制后,在焦平面处产生了由不同拓扑荷涡旋光束组成的3×3涡旋光束阵列,且各个子光斑的拓扑荷数与光栅结构、衍射级次有关。其次,进行了实验验证。将二维叉形光栅相位图加载到空间光调制器SLM上,当高斯光束经SLM反射后,在焦平面处同样接收到3×3涡旋光束阵列,且与数值模拟的结果相符。研究结果表明,利用二维叉形光栅结构可实现涡旋光束分数阵列的产生,这将为不同拓扑荷涡旋光束的模式复用,实现光通信容量的增加技术支持,在光通信领域具有应用潜力。

嵌入式激光轮对磨损在线检测

高铁轮对轮廓表面磨损的精密测量对于高铁稳定安全运行具有重要的研究意义.基于此,研制了一种基于激光三角测量原理的嵌入式高铁轮对表面磨损测量装置.以低功耗STM32F103单片机为主控制器,采用TCD1500C作为位移感光元件,软件模拟了CCD驱动时序,并利用主控制器内部模数转换器将CCD放大后的电压信号转换为数字信号,对数字信号进行FIR滤波和二值化处理,再由三角测距原理拟合得到轮对尺寸参数.同时,利用蓝牙通信接口将测量数据传输至上位机虚拟仪器面板中,在PC端进行可视化显示和结果分析.结合实际测量和安装尺寸,在ZEMAX中模拟和优化了Ernostar透镜组,以消除由于焦距变化引起的像差.采用线性拟合对模拟轮对测量进行了校准,并使用校准后的装置对模拟磨损轮对进行在线测量.实验结果表明,该实验装置最大可测量磨损程度可达32 mm,测量精度达21.28μm,测量分辨率为6μm,满足轮对表面磨损精度测量需求.

扭曲多高斯光束在梯度折射率光纤中的传输特性

为了得到一种新型椭圆扭曲多高斯-谢尔模(TMGSM)光束,采用Mercer模式展开的方法进行了理论分析和验证,证明了多高斯-谢尔模关联结构可携带扭曲相位,详细研究了其在梯度折射率光纤中传输时的光强和相干度演化。结果表明,椭圆TMGSM光束在梯度折射率光纤中传输时,光强和相干度分布随着传输距离的增加发生周期性旋转,并在0.5L(L为周期)的整数倍处偏转π/2,其旋转角速度呈非线性变化且与扭曲因子的大小有关;增大多高斯模数,焦平面处光强分布的平顶区域增大,相干度分布轮廓变小。此研究结果在光纤通信、聚焦成像、光学捕获等方面具有潜在的应用前景。

基于ab initio的BD^+离子激光冷却理论研究

基于相关一致基组aug-cc-pV5Z,采用内收缩多参考组态相互作用方法计算了BD^+离子两个最低解离极限B^+(~1Sg)+D(~2Sg)和B+(~3Pu)+D(~2Sg)对应的5个Λ—S态(X^2Σ^+,A^2Π,B^2Σ+,a^4Π和b^4Σ^+)的势能曲线和跃迁偶极矩.根据计算结果,求解核运动的径向薛定谔方程得到相应电子态的振-转光谱常数、Franck-Condon(F-C)因子和振动能级辐射寿命.其中A^2Π—X^2Σ^+的F-C因子(f_(00)=0.923)、辐射寿命(τ=235 ns)满足激光直接冷却的条件.因此,我们基于分子转动跃迁提出了一个可实现Doppler激光冷却的光循环方案:A^2Π_(1/2)(υ′=0)—X^2Σ+(υ′′=0,1),其中υ′=0中包含2个转动能级,υ′′=0和υ′′=1中分别包含6个和4个转动能级.根据方案,模拟了激光冷却过程中的分子布居数动力学变化过程,并计算了初速度为100 m/s的BD^+,历经5.4 ms散射1150个光子可减速到4.6 m/s、温度为13 mK.

Controllable optical mirror of cesium atoms with four-wave mixing

The controllable optical mirror is experimentally accomplished in a A-type three-level atomic system coupled with standing wave. It is shown that the reflection of probe light results from electromagnetically-induced-transparency-based four-wave mixing, therefore the reflection efficiency is highly dependent on the angle for phase matching condition between the probe and coupling fields. The measured reflection spectra show good agreement with dispersion compensation theory.

基于螺旋相位板的涡旋光束的产生与干涉

理论上阐述了螺旋相位板产生涡旋光束的机理,推导了涡旋光束与平面波以及球面波的干涉强度表达式,并用以研究了涡旋光束的干涉现象,从数值上得到了拓扑荷数与干涉图样的对应关系。同时在实验上利用螺旋相位板获得了涡旋光束,并得到其干涉图样,实验结果与理论结果保持一致。研究结果表明,携带不同拓扑荷的涡旋光束对应着唯一的干涉图样,因此可以通过干涉图样直观地判断出涡旋光束的拓扑荷数。

铯原子汽室中光学厚度的实验测量与精确模拟

对铯原子汽室中不同能级和不同温度的原子在不同光强和不同偏振光作用下的光学厚度进行了实验测量。理论上通过建立每个塞曼子能级的速率方程,利用龙格-库塔算法求得了布居数随时间演化的数值解,从而得到了依赖于时间的吸收系数。考虑到原子热运动以及光束束宽对光学厚度的影响,利用数值积分得到了原子共振频率附近的平均吸收系数,进而利用比尔法对光通过铯原子汽室的透射曲线进行了精确的拟合,最终得到了实验系统中原子汽室光学厚度的精确值。理论分析和实验结果表明,随着温度的升高,光学厚度迅速增大;随着光强的增加,光学厚度略有变小。

光子晶体特性在EIT介质中的实验实现

基于原子相干效应,研究了在驻波场作用下原子介质的吸收和折射率的周期性调制所产生的周期性微结构特性及其操控。实验结果表明,在驻波场作用下原子介质存在与光子晶体同样的光子带隙特性,而且可通过调节形成驻波的两束光的频率差实现对其光子带隙位置的操控,实现了光子带隙20MHz的频率移动。

原子介质中实现移动光子晶体的驻波场特性研究

讨论了在合成该移动驻波场时,叠加场的具体实验参数对驻波场光场分布和移动速度的影响。给出了驻波场的平均移动速度随两束行波场的频率差和振幅比的变化关系。针对具体实验,分析了两高斯光束夹角和远场发散角对驻波场光场分布的影响。因此实验中为制备较好的光子晶体,需通过光学器件整形得到具有较好光斑质量和较小远场发散角的光束后,使两束功率相等且腰斑重合的光束叠加。

CP^+正离子低激发态的从头计算研究

基于相关一致基组aug-cc-pcV5Z,采用内收缩多参考组态相互作用方法对CP^+正离子5个Λ-S态(X^3Π,A^3Σ^-,a^1Π,b^1Σ^+和c^1Σ^-)以及考虑了自旋-轨道耦合效应后两个三重态(X^3Π,A^3Σ^-)分裂的五个Ω态的势能曲线做了从头计算。通过求解核运动的径向薛定谔方程,获得了这些电子态的光谱常数(T_e,R_e,ω_e,ω_eχ_e,B_e,α_e,D_e)。最后,对b^1Σ^+-a^1Π和A^3Σ^--X^3Π跃迁特性进行了讨论,并给出了它们跃迁偶极矩、Franck-Condon因子、辐射寿命τ。

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。

铯原子介质中受激拉曼四波混频的光放大特性

实验研究了在铯原子介质中受激拉曼四波混频过程中,注入的探针光与所产生的共轭光的增益特性,具体比较了在探针场分别作为Stokes场和Anti-Stokes场情况下,增益随粒子数密度、泵浦光频率失谐的依赖关系,并分析了其增益谱线线型和谱宽。为进一步开展基于受激拉曼四波混频进行量子关联光束的制备提供了主要实验参数的选择参考。

特殊关联阵列扭曲光束在大气湍流中的光强闪烁

相干和相位是光波的基本特性,它们之间是相互影响的。本文首先基于部分相干光束的模式分解理论,严格证明了谢尔模高斯阵列关联结构可以携带扭曲相位,并提出了一种特殊关联阵列扭曲光束,且本文所用证明方法具有一定的普适性。随后,针对光束在大气湍流传输中引起的光强闪烁,采用张量方法推导了特殊关联阵列扭曲光束在大气湍流中的光强闪烁解析式,详细分析了光源各参数对光强闪烁指数的影响,研究表明增大光源的束腰宽度、增大扭曲因子、调控谢尔模高斯阵列关联结构可降低大气湍流引起的光强闪烁。本文得到了一种有效抑制大气湍流光强闪烁的严格物理数学光束模型,研究结论有助于优化部分相干光束在大气湍流传输的整体性能,在自由空间光通讯、激光雷达、遥感成像等领域具有潜在的应用价值。

在不同原子汽室空间中原子相干特性的比较

我们对不同铯原子汽室空间中,电磁诱导吸收(EIA)与电磁诱导透明(EIT)特性进行了比较。通过理论模拟原子在不同多普勒背景下的周期性吸收调制与原子相干效应的关系,表明在狭小空间下的原子,其EIA效应较弱,EIT较强这一特性对应于介质可获得更好的周期性吸收调制,这一特性可用于改善原子汽室中的光子晶体特性。

高斯涡旋光束在增益和吸收介质中的传输特性

基于广义惠更斯-菲涅尔原理,推导出了高斯涡旋光束在增益和吸收介质中场分布以及光强的解析表达式,研究了高斯涡旋光束在增益和吸收介质传输中的光强分布、位相演化,详细分析了波数实部kr、波数虚部ki和拓扑荷m对光束传输特性的影响。研究结果表明,波数实部kr越大、拓扑荷m越大,高斯涡旋光束在传输过程中光强衰减越慢,并且始终保持光束空心分布的特性,具有很好地稳定性。波数虚部ki越大,光束在传输中表现出的增益效应越明显,波数虚部ki越小,光束在传输中表现出的吸收效应越明显。高斯涡旋光束的位相分布受拓扑荷m影响明显,不同拓扑荷m的高斯涡旋光束在源处及传输过程中光涡旋的数目不同。本文的结论对于涡旋光束在材料领域的研究及其在实际中的应用具有重要意义。

基于微扰法研究涡旋光束在大气中传输的热晕效应

基于一阶微扰法,推导了涡旋光束在大气中传输的稳态热晕解析表达式,并得到了由热晕引起的涡旋光束的相位畸变表达式。通过数值模拟涡旋光束在大气中传输的光强等值线分布,详细分析了传输距离、初始功率、横向风速、大气吸收系数和初始半径对涡旋光束热晕的影响。研究结果表明,在其他参数不变的情况下,单一增大涡旋光束的初始功率、传输距离和大气吸收系数,热晕效应会增强;相反,单一增大初始半径和横向风速反而会减小热晕效应。在有风的情况下,由于热晕作用,涡旋光束会向来风方向偏折,峰值强度发生移动,形成不对称的分布,且涡旋光束在沿风向和垂直风向的相位变化有所不同。所得结果对高功率激光在大气传输中的应用与高能激光器的发展具有重要的指导意义。

高斯涡旋光束在单轴晶体中垂直于光轴的传输行为

基于光束在单轴晶体中的傍轴传输理论,推导了高斯涡旋光束在单轴晶体中垂直于光轴传输时的解析表达式,通过数值模拟高斯涡旋光束在传输过程中光强分布、相位分布和光涡旋的演化,对该光束的传输行为进行了分析。研究表明,由于晶体的各向异性使得高斯涡旋光束的光强分布在传输过程中,不能保持初始的圆对称性而演变为椭圆对称分布。晶体的各向异性越强,这种影响越明显。相位分布也会受到影响,光涡旋在传输过程中分裂,分裂后的光涡旋具有对称性,晶体的各向异性和拓扑荷m的奇偶性都会对光涡旋的分裂产生影响。通过数值模拟对不同ne/n0的高斯涡旋光束在不同的单轴晶体中的传输特性作了详细说明。本文研究结果在激光通信和光学器件设计中具有潜在的应用价值。

随机电磁涡旋光束在光纤中光谱相干度的变化

基于广义惠更斯菲涅尔原理和相干偏振统一理论,推导了随机电磁高斯涡旋光束在梯度折射率光纤传输中交叉谱密度矩阵元的解析表达式,并用以研究了随机电磁高斯涡旋光束在梯度折射率光纤中光谱相干度的变化。研究结果表明,随机电磁高斯涡旋光束在梯度折射率光纤中传输时,光谱相干度分布的周期与梯度折射率系数β相关。光束波长越长梯度折射率光纤对光谱相干度分布的聚焦作用越明显。光谱相干度分布暗环数与拓扑荷数m相同,自相关空间长度σ_(xx)会改变光谱相干度沿径向的变化速度,而互相关空间长度σ_(xy)不改变光谱相干度分布。本文研究结果对随机电磁涡旋光束在光纤中的传输具有指导意义,在高速率大容量光纤保密通信方面有参考价值。