拉盖尔高斯径向偏振光高数值孔径聚焦特性

光波在高数值孔径聚焦下焦点区域光强分布呈现出的特殊性质已经被应用到光学显微成像、微粒控制、光存储等领域中.本文基于矢量Deby衍射理论研究了TM01模拉盖尔高斯径向偏振光经高数值孔径聚焦下焦点区域光强分布.通过调节入瞳半径与光束束腰之比,发现拉盖尔高斯径向偏振光光斑由明亮尺寸小光斑变化成环形中空光斑,并且通过光瞳滤波器可以实现对焦点区域光强和暗斑尺寸的调制,使焦点中心暗斑光强由0变化到1.通过合适的复光瞳滤波器参量选择,在焦区产生了多个三维"光笼",这使得能够更有效地束缚微粒,而且可以一次控制多个微粒,对捕捉折射率低于周围环境的微粒具有重要的应用价值.

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。

光束分析仪测量高阶拉盖尔高斯光束暗区半径研究

理论推导高阶拉盖尔高斯光束暗区半径随拓扑数变化的表达式,利用光束分析仪测量拉盖尔高斯光束的暗区半径,比较了理论和实验测量的结果,分析产生误差的原因.

大气湍流强度对受限拉盖尔高斯光束轴向光强分布影响的模拟

由Huygens-Fresnel原理,给出了在大气湍流中受到发射圆孔限制的拉盖尔高斯光束轴向光强的表达式.运用MAPLE模拟,得到了不同湍流强度、不同波长、不同发射圆孔孔径下轴上光强的分布图形.结果表明:在不同的拉盖尔高斯光束阶数下,轴上光强在近场发生振荡,幅度随湍流的增强而降低,周期随传输距离的增加而拉大,在远场,随着传输距离的增加,振荡逐渐消失,光强下滑平稳;最后一个平均光强极大值大小与湍流强度关系密切,湍流弱,其大小变化小,孔径大,其位置远;阶数大或波长相对长,轴上光强相对高.

四拉盖尔高斯光束在大气湍流中传输时的闪烁研究

采用相位屏法模拟仿真,对四拉盖尔高斯光束(Laguerre Gauss,LG)在大气湍流中传输时的闪烁性能进行了研究。结果表明:与单LG光束相比,四LG光束可以降低光传输中的闪烁指数;和外尺度相比,内尺度对光束闪烁指数的影响较大;光束的拓扑荷或者径向量子数越大,四LG光束的闪烁指数越大;当光束之间的距离取合适的值时,LG光束在大气湍流中的闪烁指数可取得最小值。

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.

花瓣状拉盖尔-高斯激光器的理论技术研究

花瓣状拉盖尔-高斯光源是一种重要的激光器输出光源,具有独特的空间分布和传播特性,被广泛应用于冷原子捕获、量子纠缠和高精度空间测量等领域。从理论技术方面研究了该光源产生的基本原理,给出其数学表达式,并结合Mathcad软件成功模拟了它的空间分布形式,阐述其分布形式的一般规律,为开发性能更优异的花瓣状拉盖尔-高斯激光器提供理论依据。

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。

利用振幅光栅生成拉盖尔高斯光束的实验研究

拉盖尔高斯(Laguerre-Gaussian,LG)光束由于其独特的相位结构和轨道角动量特性在微粒旋转操纵和信息处理等方面得到了越来越多的重视.对利用振幅型叉状衍射光栅产生LG光束进行了理论分析,采用计算全息图的方法制作了振幅型叉状衍射光栅,实验上获得了角量子数为±1的LG光束,并对光束变换过程中影响光束特性的主要因素进行了讨论.

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。

利用球差实现超高阶拉盖尔—高斯模式激光振荡

基于腔内球差选模方法在端面泵浦的Nd:YVO_(4)激光器中实现了能够对角向指数m进行便捷选择的高阶LG模式激光输出,从LG模式光斑半径和能量分布的角度对实验现象进行解释,分析发现不同模式间球差引起的实际焦点偏离是实现单一LG模式运转的关键,而单一模式自身球差产生的损耗决定了该模式是否能够起振。根据理论分析,分别通过使用长焦距透镜减小球差以降低高阶模式的损耗和增加泵浦功率以提高增益,实现了角向指数m最高达到±95的超高阶LG模式输出;通过使用短焦距透镜增大球差来加强对光斑较小的低阶模式的区分度,实现了径向指数p>0的LG模式输出。

拉盖尔-高斯光束通过多光阑B=0成像系统传输的计算模拟

用复高斯函数展开法及B =0成像矩阵分解的技巧 ,推导出了拉盖尔 -高斯光束通过多光阑B =0光学成像系统和多级空间滤波器解析的近似传输公式。高斯光束的传输可作为我们理论模型的特例给出。数值计算例表明使用我们的解析公式和直接对Collins公式作数值积分的结果基本一致 ,但我们的结果具有快速计算的主要优点 ,因此大为节约了机时。

拉盖尔高斯涡旋光束对生物细胞的散射特性分析

采用强度矩量分析法得到拉盖尔高斯涡旋光束的波束宽度及发散角。利用复源点方法得到厄米高斯光束的球矢量波函数展开形式，结合厄米多项式与拉盖尔多项式的转换关系，推导得到拉盖尔高斯涡旋光束展开为球矢量波函数的表达式。利用广义洛伦兹Mie理论，研究了拉盖尔高斯涡旋光束对癌细胞的散射特性。数值分析了不同模阶数及不同传输距离的拉盖尔高斯涡旋光束在垂直于传播方向横截面的强度和相位分布。结果表明：随着径向、方位向模阶数及传输距离的增加，拉盖尔高斯涡旋光束的光斑尺寸变大，另外随着传输距离的增加，拉盖尔高斯涡旋光束的相位结构呈现不同于源平面的特点。利用拉盖尔高斯涡旋光束的强度分布特征来解释不同模光束入射的散射强度的角分布特点。

利用液晶空间光调制器产生高阶拉盖尔高斯光束

本文采用反射式纯相位液晶空间光调制器产生了实验需要的高阶拉盖尔高斯光束。理论上详细计算了生成高阶拉盖尔高斯(Laguerre-Gaussian)光束的最优参数选择,用MATLAB编写程序,制作产生高阶LG光束的相息图。通过CCD采集图像数据,观测了以平面波入射生成拉盖尔高斯光束的强度分布,并利用干涉法验证了产生高阶拉盖尔高斯光束的螺旋相位分布。在此基础上,对实验测得一维强度轮廓进行拟合分析并估算了实验产生LG光束的纯度。

拉盖尔高斯光束矢量远场特性的角谱法分析

基于非傍轴矢量光束传输理论,研究了拉盖尔高斯光束的远场特性。运用角谱衍射公式以及稳相法,得到了初始为线偏振态的拉盖尔高斯光束传输一段距离后的矢量电场分布的解析表示式。数值计算了初始为x方向偏振的拉盖尔高斯光束沿z轴传播时各方向的电场分量及等相面空间分布。结果表明,传输一段距离后,出现了平行于传播方向的电场分量,其强度分布呈双峰结构,且其值远小于垂直电场方向的分量值;随着拓扑荷数的增加,该平行分量增加,光斑发散程度也相应增强。该光束等相面呈螺旋状分布。

基于多平面光转换的拉盖尔高斯模解复用混频器设计及仿真分析

为满足日益增长的通信容量需求,空分复用技术得到了快速发展,其中基于多平面光转换的模式复用及解复用混频器由于兼容模式多、插入损耗小等优点而成为了研究热点。为了简化相干通信接收端,本文提出了基于多平面光转换的拉盖尔高斯模解复用混频器,同时实现了模解复用和90°混频功能。本文首先提出拉盖尔高斯模解复用混频器的设计原理及参数定义,并采用基于角谱计算的波前匹配算法建立模解复用混频器模型。然后,基于模型仿真研究了正弦拉盖尔高斯模解复用混频器,仿真结果表明,所设计的混频器的插入损耗为-0.7020dB,信号光与本振光的耦合系数大于0.89,端口相位差小于10.1°。之后,进一步分析了相位板数量及像素尺寸、工作波长等对输出性能的影响,结果发现:在不考虑相位板反射等外部损耗时,随着相位板数量增加(≥8),插入损耗和模式相关损耗逐渐减小并趋于平稳;工作波长在1500~1600nm范围时,耦合系数、端口均一性、插入损耗和模式相关损耗变化较小;像素尺寸在3.2~19.2μm范围时,端口均一性和模式相关损耗变化较为平稳,耦合系数和插入损耗随着像素增大而恶化。最后,考虑到轨道角动量光束在空间光通信领域的广泛应用,在上述基础上进一步设计了轨道角动量光束的模解复用混频器,其性能满足应用要求。本研究结果表明:所提出的基于多平面光转换的拉盖尔高斯模及轨道角动量光束的模解解复用混频器可以同时实现模解复用和90°混频功能,性能较好,且具有较好的波长特性。本方案及仿真分析结果为空分复用技术中关键器件的设计提供了技术参考。

标准拉盖尔高斯光束在非Kolmogorov湍流中的平均光强和束宽

基于广义惠更斯菲涅尔原理,通过将拉盖尔高斯光束场方程转化为厄米多项式的形式,计算得到了在非Kolmogorov湍流中传输的平均光强和均方根束宽表达式.数值结果表明,光束阶数越大,波长越长,传输距离越短,则归一化平均光强曲线转变为高斯形式越慢,同时,湍流幂律指数和内尺度越大,基模高斯束宽和湍流外尺度越小,非Kolmogorov湍流对标准拉盖尔高斯光束的作用越小.

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-高斯光束的螺旋干涉模式研究

为提高粒子操控的灵活性和精度,一种基于拉盖尔-高斯光束的可控螺旋干涉模式被提出。通过理论分析两束拉盖尔-高斯光束同轴叠加光场,给出了不同参数的变化对干涉光场强度分布的影响。通过仿真模拟,研究参数变化对场强结构的调控作用。结果表明,通过改变两束拉盖尔-高斯光束的拓扑电荷数可以实现干涉模式光场强度极大值的数量和分布的动态调整,增加了对粒子操控的灵活性和可控性,为提高光束微粒操控的精度的提升提供了可能。

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.