奇点光学概论

奇点光学被认为是现代光学的一个新的分支学科,其研究对象已从完全相干光波场(相干奇点光学)推广到部分相干光波场(相关奇点光学),从单色光波场推广到多色光波场,从标量光波场推广到矢量光波场,从理论研究和计算模拟扩展到实验和应用.结合我们的工作,对奇点光学中一些基本概念和进展做了综合评述.奇点光学中取得的成果不仅有重要基础科学研究意义,而且有助于新奇点物理学的发展.

光谱开关与多色光场的奇点光学效应

推导出多色高斯光束和高斯-谢尔模型光束通过杨氏实验双缝传输的谱强度公式.对完全空间相干光和部分空间相干光照明杨氏实验装置出现的光谱开关作了详细研究,并判断其是否属于奇点光学效应.结果表明:多色场奇点光学效应的判据应当是光谱开关出现时的谱强度极小值Smin=0,而不是总光强极小值Imin=0.当用多色高斯-谢尔模型光束照明杨氏实验装置时,在近场和远场产生的光谱开关都不属于奇点光学效应.当用多色高斯光束照明杨氏实验装置时,只有远场产生的光谱开关属于奇点光学效应,而在近场则不是.

经光阑衍射的平顶涡旋光束位相奇点的演化特性

推导出了平顶涡旋光束通过有光阑ABCD光学系统的传输解析式,并以光阑透镜和矩形光阑系统为例,与平顶光束比较研究了截断参量、相对离轴距离和光束阶数对衍射场中位相奇点演化特性的影响.数值计算表明,平顶涡旋光束通过上述光学系统均存在位相奇点,即使源处涡旋被光阑阻拦时,衍射场中也会出现位相奇点;而平顶光束通过光阑透镜系统存在刃型位错,随着截断参量增大,会发生刃型位错的演化和湮灭现象,且平顶光束通过矩形光阑系统没有发现位相奇点.

高阶贝塞尔-高斯脉冲光束相位奇点的演化

推导出被光阑衍射高阶贝塞尔-高斯脉冲光束的场和光强分布的解析公式,对其相位奇点的演化特性做了计算和分析。结果表明,高阶贝塞尔-高斯脉冲光束经光阑衍射后,中心光涡旋始终存在,拓扑电荷守恒。随脉冲频率和脉冲宽度增加,等相位线均沿逆时针方向旋转,涡旋核随脉冲频率增加而减小,而脉冲宽度对涡旋核大小几乎无影响。等相位线随截断参数和传输距离的增加分别沿逆时针和顺时针方向旋转,涡旋核大小随截断参数增加而变化,随传输距离和光束阶数的增加而增大。

光束经乳腺癌切片形成的偏振奇点

根据生物组织的二元非晶态-晶态结构特性,为研究光束经乳腺癌切片后的偏振特性设计了实验光路。实验结果表明,光束经乳腺癌切片后偏振特性有所变化,从其偏振图像可以找到线偏振奇点和圆偏振奇点。其结果有利于为奇点光学开拓出新的应用领域。

经光阑衍射的高阶贝塞耳光束位相奇点演化特性

推导出了高阶贝塞耳光束通过有光阑近轴ABCD光学系统传输的解析公式,用以研究了高阶贝塞耳光束被光阑衍射位相奇点的演化特性.结果表明:高阶贝塞耳光束经光阑系统衍射后,中心光涡旋始终存在,拓扑电荷守恒,但涡旋核大小会随光阑半径、传输距离和光束阶数而变化;随光阑半径和传输距离变化,圆刃型位错会消失或产生.

强非局域非线性光学介质的矢量效应

本文研究了强非局域非线性光学介质的传播动力学矢量效应。具有角向偏振和螺旋相位的矢量涡旋光束在强非局域非线性光学介质中传播时，矢量涡旋光束的偏振奇点与相位奇点之间的相互作用导致新奇的光学现象。当偏振拓扑数等于涡旋拓扑数时，由于强非局域非线性光学的自聚焦效应，光场中心的奇点消失，并且能量可以在光束中心积累。数值计算结果表明由于涡旋的存在，矢量涡旋光场在传播过程中旋转。这些结果将有助于在相应的领域光场调控技术的应用。

正弦高斯涡旋光束的远场传输特性

根据角谱法和稳相法,推导了正弦高斯涡旋光束TE波和TM波在远场传输和能流密度的解析表达式,研究了正弦高斯涡旋光束在远场中的相位奇点和能流密度分布.结果表明:正弦高斯涡旋光束的远场特性与高斯光束的束腰宽度、涡旋离轴量、坐标位置以及与正弦项相关的参量有关.在一定条件下,远场中会出现相位奇点和能流密度黑核;当控制参量改变时,相位奇点和黑核的位置会发生移动,但原点处不受影响.相位奇点和能流密度的对称性主要受涡旋离轴量影响,当涡旋离轴量为0时,相位奇点和能流密度分布关于原点对称;当涡旋离轴量改变时,相位奇点和能流密度分布呈现出非对称性.

多色空间相干光经杨氏三孔干涉后的光谱奇异现象

研究相干光经杨氏三孔实验干涉后,在干涉场中的相位奇点附近所出现的光谱变化现象.结果表明,在相位奇点处附近的某些位置光谱出现"红移",而在另外一些位置光谱出现"蓝移",并且在一些特殊点光谱将分类为等高的两个峰.对两类特殊截面(垂直于三孔平面的截面和平行于三孔平面的截面)的相对平均频率变化进行研究,结果表明,多色空间相干光经杨氏三孔干涉后,其干涉场中的观察点的光谱将出现不同于原光谱的变化.

菲涅耳波带片衍射产生的光谱奇异现象

研究高斯型光谱的完全空间相干光经菲涅耳波带片后,远场轴上点的光谱奇异现象.结果表明,在相位奇异点处,高斯型光谱一分为二,出现光谱开关现象.在相位奇异点附近,一些点处的光谱发生蓝移,而另一些点处的光谱发生红移.这些光谱奇异现象与观测点位置有关,光谱开关总是发生在光强为极小值处.分析和比较几种菲涅耳波带片的光谱奇异现象,以及其光强分布情况.

一种多色空间相干光衍射后出现的光谱异常现象

研究了多色空间完全相干光经过环形光阑衍射后在远场出现的光谱变化,并给出了详细的数值计算结果和具体实例.研究表明,在艾里斑零点附近的光谱发生了显著的变化,即有些点光谱会发生红移,有些点会发生蓝移,而在另外一些地方单一谱线则分裂成两条谱线,这种光谱变化依赖于中心拦截比和衍射角.

高斯涡旋光束通过像散透镜后的相位奇异特性

光场相位奇异特性研究在奇点光学研究领域中具有非常重要的意义。本文运用广义惠更斯-菲涅尔衍射积分公式推导出高斯涡旋光束通过像散透镜后的光场分布表达式,并研究了它在几何焦平面上的相位奇异特性。结果表明,高斯涡旋光束通过像散透镜后在几何焦平面上存在相位奇点,相位奇点受到透镜的像散系数、光束束腰宽度和涡旋离轴量等参数的影响。在一定条件下,几何焦平面上出现直刃型位错线或光涡旋。当像散系数为0时,光涡旋出现在y轴上。当像散系数不为0,而涡旋离轴量为0时,会出现直刃型位错线或光涡旋,且各自的位置都非常稳定。当像散系数、涡旋离轴量或束腰宽度改变时,光涡旋会发生移动。这对光学元器件的设计和涡旋光束相位奇点的控制有一定的参考价值。

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.

非相干叠加光束携带C点偶极子的演化特性

为了探讨非相干叠加光束携带C点偶极子的演化特性,推导了携带C点偶极子的高斯光束非相干叠加传输表达式,并进行了数值模拟研究。结果表明,构成C点偶极子的两个C点的位置和偏振度会随着相关参数的变化而改变;在旁轴情形下,没有C点产生和湮灭,并且这两个C点连线的斜率随着传输距离的增加而单调增加;在非旁轴情形下,当光束传输到z=0.01 z_(R)时,有多个C点偶极子产生,在z=10.39 z_(R)时又出现C点偶极子的湮灭;在瑞利距离z_(R)处,光腰半径增加到0.222μm和0.56μm时分别出现C点偶极子的产生和湮灭;随着离轴距离和光束波长的变化,也出现C点的产生和湮灭。研究结果对深入理解偏振奇点矢量光束和寻找奇点光学潜在应用具有一定参考价值。

涡旋光场相干调控及拓扑荷测量

涡旋光场是一类具有螺旋型波前的特殊结构光场,因其携带相位奇点、轨道角动量以及拥有中央暗核结构等物理特性,被广泛应用于光学微操纵、大容量光通信、超分辨成像等领域。通过对涡旋光场传统的物理维度(振幅、偏振、频率)进行调控,可以得到模式更加丰富、应用领域更广泛的新型涡旋光场。此外,涡旋光场还有一个非常重要的调控维度,即相干性。近年来,研究人员通过对涡旋光场的相干性进行调控得到了一类新型涡旋光场,即部分相干涡旋光场。相比于完全相干涡旋光场,部分相干涡旋光场在某些领域更具优势,如具有较高的抗湍流大气干扰性、更丰富的光束整形、更高的自修复能力和更强的微粒捕获能力等。本综述介绍了近年来整数阶和分数阶涡旋光场相干性调控方面的研究进展,重点对部分相干涡旋光场的理论模型、产生方法、传输特性、拓扑荷测量、应用等方面进行了详细阐述。

多色空间相干光经过环形光阑衍射之后的光谱奇异现象

研究了多色空间完全相干光经过环形光阑衍射后在远场出现的光谱变化,并给出了详细的数值计算结果和具体实例.研究表明,在艾里斑零点附近的光谱发生了显著的变化,即有些点光谱会发生红移,有些点会发生蓝移,而在另外一些地方单一谱线则分裂成两条谱线,这种光谱变化依赖于中心拦截比和衍射角.

部分相干环形涡旋的特性研究

根据部分相干光的传输理论,介绍了部分相干涡旋在光源平面上光强的分布情况,并以环形涡旋光束为例,做了详细的分析,得出相对宽度s/w0和拓扑荷数m的变化,对z=0截面上的光强I分布的影响。还给出了两束平行、离轴的部分相干环形涡旋光束叠加合成的相干涡旋,分析了在叠加场中光强I随离轴相对距离d/w0和相干参数α变化的情况,并且在相干极限α→∞时,复合相干光涡旋就转化成复合光涡旋。

寄居于非旁轴矢量光束的李萨如线的相互作用

从理论和数值模拟两方面研究了寄居于非旁轴矢量光束的两条李萨如线的相互作用。研究发现:李萨如线因不稳定而在传输中消失,并有李萨如奇点出现。当传输距离、振幅因子、离轴距离和光束波长变化时,李萨如奇点的位置,偏振度和李萨如图形可能发生改变,还会发生成对李萨如奇点因带有相反拓扑电荷而接近和湮灭。研究结果对深入理解非旁轴多色矢量光束奇点光学和寻找奇点光学潜在应用具有一定参考价值。

相干涡旋和刃型位错在海洋湍流中的相互作用

类比相干光束中刃型位错概念,提出一种新的相干奇点——相干刃型位错。对高斯-谢尔模光束携带的相干涡旋和刃型位错在海洋湍流中的相互作用进行研究。基于扩展的惠更斯-菲涅耳原理,得到了该光束在海洋湍流环境下的交叉谱密度表达式,并将其用于研究相干涡旋和刃型位错的相互作用。研究发现:相干刃型位错在相干涡旋的作用下发生断裂并转化成相干涡旋。在光束传输过程中,光场中有单个或成对相干涡旋的产生或湮灭现象发生。二者之间的作用特点不仅与传输距离有关,还受光束初始参数和海洋湍流参数的影响。二者之间的作用规律与自由空间光涡旋和刃型位错的作用规律不同。

部分相干高斯涡旋光束电场和磁场的光谱Stokes奇点

以傍轴高斯涡旋光束为例,对部分相干涡旋光束的磁场在源平面的光谱Stokes奇点变化规律做了研究,并与部分相干光束电场的光谱Stokes奇点做了比较。研究结果表明,部分相干高斯涡旋光束在源平面内,存在着磁场和电场的光谱Stokes奇点。适当改变光束束腰宽度以及离轴量等光束控制参数会出现磁场和电场的光谱Stokes奇点的移动、产生和湮灭。与部分相干光束电场的光谱Stokes奇点比较表明,二者并不重合且拓扑电荷不同,但具有一定的对称性。磁场和电场的光谱Stokes奇点在变化过程中满足拓扑关系。