基于光学衍射神经网络的拉盖尔-高斯光束识别

拉盖尔–高斯(Laguerre-Gaussian,LG)光束除了轨道角动量(orbital angular momentum,OAM)维度外,还拥有径向量子数p,因此LG光束可以为光通信和光计算等应用提供更多的物理自由度。但目前常见的干涉、衍射机制的LG光束模式探测方法在受到大气湍流的干扰时,识别准确率会明显下降,从而限制了其实际应用。提出了一种基于衍射神经网络(diffractive neural network,DNN)的LG光束识别方式,实现了p在1~3范围内的识别。即使在强湍流强度,衍射距离为5 m的情况下,该识别方式的识别准确率依然能达到95%以上。该DNN方法能够为准确识别LG光束模式提供有效途径,在大容量OAM通信、高维量子信息处理等方面均具有潜在应用价值。

复宗量拉盖尔-高斯光束通过矩形光阑的传输

利用拉盖尔-高斯模和厄米-高斯模的变换公式,并使用将二维矩孔光阑窗口函数展开为有限个复高斯函数之和的方法,得到了复宗量拉盖尔-高斯(LG)光束通过含矩形硬边光阑近轴ABCD光学系统的变换的解析传输公式,并对复宗量LG光束通过矩形硬边光阑的衍射和聚焦特性进行了研究。该方法对研究有不同几何对称性光阑光学系统的光束变换是有用的。

复宗量拉盖尔-高斯光束及其特性研究(英文)

用由广义惠更斯 菲涅耳衍射积分推导出的传输方程详细研究了复宗量拉盖尔 高斯光束及其传输特性。采用光束传输因子 (M2 因子 )和桶中功率 (PIB)来表征光束质量 ,对复宗量和实宗量拉盖尔 高斯光束的光束质量进行了比较 ,并对所得结果作了分析。

非对称拉盖尔–高斯光束操纵下介质的光学性质

本文研究了由非对称拉盖尔高斯(aLG)光束控制的四能级双V原子系统的特性。在探测场的传输过程中,发生了圆形双折射,为矢量光束的形成提供了条件(VBs),并且重点讨论了探针场强度和偏振随传输距离的变化。结果表明,探测场的偏振在短距离内呈线性变化。此外,证明了传输距离的操纵可以实现探测场的偏振分离。这为获得VB提供了一种新的思路。

自由空间中时空复变量自减速艾里拉盖尔高斯光束的相互作用

根据自由空间光束传输遵循的(3+1)维薛定谔方程,得到了两束时空自减速艾里复变量拉盖尔高斯(Airy elegent-Laguerre-Gaussian,AELG)光束共线传输时的解析解,并分析其共线传输时的传输特性.分析结果表明,双光束各自的模式指数、组合光束强度的权重因子、初始相位差对光束的传输都会有影响.本文发现,通过选择模式参数或者选择它们的相对振幅,对于共线传输的两束时空自减速AELG光束,可以有效控制叠加光束的波形形态以及横向传输截面的光斑分布.特别是当两束光束的模式参数不等于零时,波包将沿着传输轴发生螺旋形旋转,其相位图中心位置都会出现涡旋现象.若该参数值为正,则光束沿传输轴逆时针旋转,否则,光束将沿传输轴呈螺旋形顺时针方向旋转.通过调整叠加光束的初始相位差,波包沿传输轴线也将发生旋转,但这两种旋转特性的旋转机理完全不同.如果选取两束时空自减速AELG光束的角向模式参数m相同,则叠加光束在传输过程中呈现空心环形状态,出现空心环形时空自减速AELG波包,且该波包在传输截面上随着传输距离的增加,多环结构最终湮灭为单环,并向远方推移,使得空心部分越来越大.

拉盖尔-高斯光束与高斯光束捕获力比较

根据高斯光束和拉盖尔-高斯光束两种光源的截面光强表达式,模拟出各自的光强分布.利用几何光学模型分别计算了高斯光束和拉盖尔-高斯光束在不同捕获目标尺寸和折射率、显微镜物镜的数值孔径以及样品池界面处到捕获目标的距离时的捕获效率,对高斯光束和以拉盖尔-高斯光束为代表的空心光束的捕获能力进行了比较.结果表明,拉盖尔-高斯光束相对于高斯光束其捕获能力具有很大的优势,拉盖尔-高斯光束的最大反向捕获效率高于高斯光束的最大反向捕获效率,在光镊稳定平衡点附近的刚度大于高斯光束的刚度.拉盖尔-高斯光束由于其特殊的光强分布,当物镜的数值孔径足够大时球差对其影响较大.

基于拉盖尔-高斯光束的单光子捕获概率研究（英文）

单光子源通常采用基于高斯光束的高度衰减激光脉冲,假设激光束具有初始高斯时域脉冲波形和TEM_(01)模拉盖尔-高斯空域分布.基于折射率起伏的Rytov近似和修正von Karman谱模型,研究了大气湍流对星地量子通信单光子捕获概率的影响;建立了上行信道和下行信道的单光子捕获概率理论模型;针对低轨卫星-地面站间激光链路,对单光子捕获概率进行了分析.结果表明:上行信道的单光子捕获概率强烈依赖于地面折射率结构常数C_n^2(0),且随着C_n^2(0)的增加而减小;然而,下行信道的单光子捕获概率并不依赖于C_n^2(0),即大气湍流对其没有影响.

拉盖尔－高斯光束的聚焦特性

使用Ｃｏｌｌｉｎｓ衍射积分公式，推导出无光阑限制情况下，聚焦拉盖尔－高斯光束的相对光强增量和焦移。对有光阑限制的拉盖尔－高斯光束作了详细的数值计算以说明其聚焦特性。

厄米-拉盖尔-高斯光束的传输特性

利用Collins公式,推导出厄米-拉盖尔-高斯(HLG)光束通过近轴ABCD光学系统的解析传输公式,并用来研究通过自由空间和薄透镜的传输特性。结果表明,除模指数m,n之外,对HLG光束新引入的α参数,它影响光强分布和对称性;HLG光束在传输中保持形状不变;HLG光束的焦移与模指数m,n和α参数无关,这意味着m,n和α不同的HLG光束聚焦在同一位置。并给出了HLG光束的M2因子。

拉盖尔-高斯光束通过有硬边光阑光学系统的传输

采用将硬边光阑展为有限个复高斯函数之和的方法 ,得到了拉盖尔 高斯光束通过有硬边光阑近轴ABCD光学系统中传输的近似解析公式 ,作了数值计算以说明传输公式的应用 。

受限拉盖尔-高斯光束湍流传输时轴上光强分布

为了研究受限拉盖尔-高斯光束湍流传输时轴上光强分布,采用扩展惠更斯-菲涅耳原理方法进行了理论分析,得到了受发射圆孔限制的拉盖尔-高斯光束在大气湍流中传输时轴上光强的表达式。并运用MAPLE模拟,取得了不同湍流强度、波长和发射圆孔孔径下轴上光强的分布理论数据。结果表明,拉盖尔-高斯光束在不同阶数、湍流强度、波长和发射圆孔孔径下,真空和湍流较弱时,轴上光强在近场发生明显振荡,达到最大值后,强度明显开始降低,湍流较强时,传输很近距离强度就迅速衰减,并与其在真空中的传输特性进行了比较。这一结果对研究拉盖尔一高斯光束是有帮助的。

拉盖尔-高斯光束通过光阑-透镜分离系统的聚焦特性和焦移

使用 Collins公式推导了拉盖尔 -高斯光束通过光阑 -透镜分离系统的光强分布。利用数值计算详细分析和说明了其聚焦特性。分析得出光阑 -透镜分离程度的大小影响相对焦移的大小和光强的分布 ,并引起焦移可能相反或消失。而且发现满足一定条件时在一段较大的轴向距离上光强几乎等于光强极大值 ,从而可获得一个较大的光强极大范围。

拉盖尔-高斯光束光镊捕获性质

利用 T 矩阵法研究光镊中微粒大小与入射光束波长相近时，光镊捕获效率与入射光束的阶数、微粒的折射率和尺寸大小的关系．对拉盖尔-高斯光束光镊和高斯光束光镊的轴向和横向捕获效率进行比较．计算结果表明：不同阶数的拉盖尔-高斯光束对微粒捕获效率的影响不同，阶数不超过4的拉盖尔-高斯光束的捕获效率高；微粒半径增加时，拉盖尔-高斯光束的轴向捕获效率逐渐增大，且捕获域也增加，高斯光束的最大捕获效率基本保持不变但捕获域逐渐增大；微粒折射率增加时，拉盖尔-高斯光束和高斯光束的轴向和横向捕获效率均先增加后递减，捕获效率出现了一个峰值，微粒折射率约在1．39～1．69是稳定捕获的最佳数值．

基于拉盖尔-高斯光束的单光子捕获理论研究

基于TEM10模拉盖尔-高斯光束,推导自由空间量子密钥分配中单光子捕获概率表达式。针对低轨卫星-地面站间激光链路进行单光子捕获分析。结果表明:采用可高度衰减激光脉冲的TEM10模拉盖尔-高斯光束作为单光子源,单光子捕获采用前驱波参考脉冲设置时间窗口的方法,可使卫星上接收机以最大概率捕获光子。与基模高斯光束相比,采用TEM10模拉盖尔-高斯光束的优点是,不会由于卫星运动而增加单光子捕获概率的损耗。

非傍轴旋转对称拉盖尔-高斯光束的远场发散角

基于功率密度的二阶矩方法,推导出了非傍轴旋转对称拉盖尔-高斯(LG)光束远场发散角的解析公式,并表示为伽玛函数的幂级数求和形式。计算结果表明,当初始束腰宽度和波长之比w0/λ趋于0时,对任意非傍轴旋转对称LG光束,远场发散角趋于渐近值63.435°,与阶数无关。对于p=0的特例,则退化为非傍轴高斯光束的结果。

拉盖尔—高斯光束通过含矩形光阑光学系统的变换

基于厄米-高斯模与拉盖尔-高斯模的变换关系和递推算法,推导出拉盖尔-高斯(LG)光束通过含矩形光阑近轴ABCD光学系统传输的递推公式。作为应用例,对LG光束通过光阑透镜分离系统的变换作了数值计算和分析。本文有关结果提供了一个研究有不同几何对称性光束间变换的有效方法。

截断拉盖尔-高斯光束的M_G^2因子

用广义截断二阶矩方法对截断圆对称拉盖尔 高斯光束的广义光束传输因子 (MG2 因子 )作了研究 ,得到了MG2 因子的解析公式 ,并用数值计算例作了说明。研究表明 ,截断圆对称拉盖尔 高斯光束MG2 因子与截断参数和光束的阶数有关。随着截断参数的增加 ,MG2 因子逐渐趋近于无截断圆对称拉盖尔

拉盖尔-高斯光束的近场矢量结构特征

直接以麦克斯韦方程组的解表征拉盖尔-高斯光束。基于麦克斯韦方程组解的矢量角谱表述和电磁光束的矢量结构理论,利用一些数学技巧导出了拉盖尔-高斯光束的TE项和TM项在近场的解析表达式。利用所导出的公式,在近场描绘了拉盖尔-高斯光束的TE项、TM项及整个光束的光强分布。并对角度依赖分别为余弦和正弦关系的拉盖尔-高斯光束的矢量结构进行了比较,结果显示两者整个光束的光斑完全相似,唯一的区别是子瓣的空间方位不同且两者的内部矢量结构完全不相同。

对称化光学系统对像散复宗量厄米-高斯光束的变换

使用二阶矩和广义惠更斯 菲涅尔衍射积分方法研究了用于实宗量厄米 高斯光束对称化的光学系统对复宗量厄米 高斯光束的变换。研究结果表明 :复宗量厄米 高斯光束经过该光学系统后 ,只能在出射面上实现在二阶矩定义下的对称化 ,但光斑不具有旋转对称性。因此 。

角向偏振高阶拉盖尔高斯光束强聚焦产生双光链

本文根据德拜矢量积分理论,研究了角向偏振高阶拉盖尔高斯光束经过衍射光学元件(diffractive optical elements,DOE)和高数值孔径透镜组成的光学系统后的强聚焦特性。根据数值模拟的结果,入射光束通过DOE强聚焦以后,在焦平面附近产生会得到具有广泛应用双光链结构(光轴方向成对的三维多点光俘获结构),通过调整相关参数,可以得到每个峰值光斑的半值全宽是均是相同的。这些结果有望应用于粒子操控等方面。