共轭涡旋光干涉位移测量拓扑荷优化实验研究

以共轭涡旋光干涉原理为基础,理论分析了干涉图像旋转角度和位移量的对应关系,利用光学仿真系统验证了理论的可行性。采用基于空间光调制器和改进型的马赫-泽德干涉仪组成的共轭涡旋光干涉测量系统,利用不同拓扑荷数的共轭涡旋光实验测量了纳米位移台的位移变化。实验结果表明,在位移量为100 nm、200 nm和250 nm的情况下,拓扑荷数为3时的相对误差最小,分别为2.19%、1.28%和1.27%。研究结果有助于提高基于共轭涡旋光干涉位移测量的精度。

任意拓扑荷光学旋涡的产生及应用

光学旋涡在很多领域开展了广泛的研究和应用。介绍了一种基于涡旋波片的光学旋涡产出方法,并通过波片组合的方法可以产生任意拓扑荷的光学旋涡,该方法具有很好的灵活性。同时由于波片的透过率非常高,实验中拓扑荷为3的光学旋涡的产生效率高达93%以上。通过干涉产生的叉形光栅叉数和方向进一步检测了产生光学旋涡的拓扑荷。利用产生的光学旋涡还进行了初步的光学操控实验,验证了轨道角动量对于微颗粒的动态操控作用。该方法将在更多领域得到推广和应用。

利用杨氏双缝干涉实验检测涡旋光束的拓扑荷数

研究涡旋光束经过杨氏双缝干涉后的干涉条纹,发现不同于平面波的竖直干涉条纹,涡旋光束的干涉条纹出现扭曲.从条纹的上部往下看,涡旋光束的干涉条纹出现横向的移动,而移动的方向和大小分别取决于涡旋光束拓扑荷数的符号和数值大小.对干涉条纹进行观察发现,实验观察结果和理论结果基本上保持一致,可以通过观察涡旋光束的干涉条纹来判断涡旋光束的轨道角动量.

拉盖尔-高斯光束拓扑荷值的三角孔测量

基于三角孔衍射方法,测量了拉盖尔-高斯(LG)涡旋光束的拓扑荷值。当LG涡旋光束照射在三角孔衍射屏上后,在其后的傅里叶频谱面形成衍射三角点阵状光强分布;通过角点阵外边上衍射点数来确定拓扑荷值,拓扑荷的符号通过三角点阵的方向来确定。数值模拟和试验结果表明:该方法能有效测量LG光束的拓扑荷值,测量范围达到了±9。

涡旋光束拓扑荷值的干涉测量方法

基于平面波或球面波与拉盖尔-高斯(Laguerre-Gaussian,LG)涡旋光束的干涉特性,提出了一种LG涡旋光束拓扑荷值的测量方法。利用改进的马赫-曾德尔干涉光路对LG涡旋光束的拓扑荷值进行测量,其中,干涉光路中的一支为平面波或球面波,另一支为LG光束。然后,通过干涉亮条纹中的分叉数(平面波干涉时)或螺旋线嵌套数(球面波干涉时)来确定LG涡旋光束的拓扑荷值。拓扑荷值的符号,通过分叉向上还是向下(平面波干涉时)或螺旋线为顺时针还是逆时针(球面波干涉时)来判断其正负。数值模拟和试验结果表明:该方法能有效测量LG涡旋光束的拓扑荷值和符号,并且具有快速、简洁的特点。

涡旋光束拓扑荷值的柱面镜测量方法研究

提出了一种利用柱面镜测量涡旋光束拓扑荷值的方法。首先,基于空间光调制器、利用计算全息法生成了拉盖尔-高斯（LG）涡旋光束;然后利用柱面镜对径向指数p=1,2,角向指数l=1~5的LG涡旋光束进行光束变换,实验结果表明：当涡旋光束通过柱面镜后,其中心暗核将发生劈裂,劈裂后的暗核数与涡旋光束的拓扑荷数值相等,以此实现拓扑荷值的测量。此外,为进一步验证该方法的准确性,利用涡旋光束与平面波干涉测量方法进行了对比分析;结果表明：基于柱面镜的涡旋光束拓扑荷值测量方法可有效测量LG涡旋光束的拓扑荷值;并且具有测试系统简单、光路调节简便的优点。

完美涡旋光拓扑荷的原位测定

为了实现对完美涡旋光拓扑荷的快速测定,提出了一种同轴干涉测定方法,其基本思路是利用一个空间光调制器同时调制产生完美涡旋光与球面波,调制球面波的发散角使两者发生干涉,利用干涉条纹数来实现拓扑荷数的直接快速测定.理论模拟和实验测定结果表明,利用该方法得到的干涉条纹可以测定完美涡旋光的拓扑荷,包括大小与符号.进一步,利用该方法测量了完美涡旋光阵列与球面波的干涉图样,实现了对每个完美涡旋光的拓扑荷的快速测定.该原位测定方法简单、有效,对于利用完美涡旋光实现轨道角动量控制和信息编码等应用具有参考意义.

湍流大气中涡旋光束拓扑荷对焦面光强的影响

采用数值模拟的方法研究了拓扑荷在大气湍流倾斜、散焦、象散3种低阶像差中的作用。结果表明:对于倾斜和散焦2个低阶像差,随着拓扑荷的增加,光束维持中心暗斑的鲁棒性越来越强,但湍流强度变化对焦面光强分布形状的影响仍很小,因而拓扑荷对湍流散焦的影响可以忽略。对于湍流象散像差,拓扑荷为偶数和奇数时,对光强分布的影响有不同的规律:当拓扑荷奇数时,光束中心为暗斑,随着拓扑荷的增加,光强的峰值减小,光束扩展;当拓扑荷为偶时,光束中心出现亮斑,取代了原有的中心暗斑,且光强分布趋向于高斯分布。

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。

用衍射方法确定平顶光学涡旋拓扑荷数

使用一种中心对称的正方形振幅光栅,分别计算了不同拓扑荷数的平顶涡旋光束经过不同空间频率的正方形振幅光栅后的夫琅和费衍射光场.结果表明,平顶涡旋光束经正方形振幅光栅后在远场的光强分布为亮斑阵列;选择合适的空间频率,即可以得到任何拓扑荷数的清晰的衍射图样;当拓扑荷数≥2时,衍射光强图样外围亮斑的个数为入射涡旋光束拓扑荷数的2倍.用此种衍射方法可以方便地测量入射光学涡旋的拓扑荷数.

分光棱镜干涉法测量涡旋光束拓扑荷

理论分析并实验研究了涡旋光束通过单分光棱镜后的自干涉现象.研究结果表明,不同于涡旋光束与平面波或者球面波干涉,涡旋光束自干涉条纹呈"扭曲"状,且在干涉条纹边缘处会出现"断裂"条纹,其数目随着涡旋拓扑荷数增大而增大,且"断裂"条纹的指向与拓扑荷符号相关.上述结论提供了一种原理和操作简单的测量涡旋光束拓扑荷数的方法.

多通螺旋相位板的涡旋光拓扑荷数4重加倍

为了制备大拓扑荷数涡旋光,对基于螺旋相位板多通的拓扑荷数4重加倍进行了理论分析、仿真模拟和实验验证。根据菲涅耳衍射积分定理,推导了基于螺旋相位板多通的涡旋光拓扑荷数加倍原理。设计了4重加倍装置,建立了相应模型并模拟了拓扑荷数4重加倍后的涡旋光强分布。绘制了相对强度、光束半径随距离变化曲线,得到了加倍过程中半径和强度不会发生突变的结论。最后,使用该装置成功制备了拓扑荷数为4、8、12、16的涡旋光束并对该实验中高阶涡旋光质量较差的原因进行了分析。

异常涡旋光束的拓扑荷的测量

提出了一种测量异常涡旋光束的拓扑荷的方法。在接收孔径之前放置一个特殊样式的掩膜板,通过接收平面的光强图来分辨异常涡旋光束的拓扑荷值。首先采用理论推导的方法得出接收平面光强分布的解析式,然后通过数值仿真得出光强图。研究表明,接收平面上的强度分布图为多环结构,环数与异常涡旋光束的拓扑荷值有关,而与光束阶数无关。研究成果对于促进异常涡旋光束的应用具有重要意义。

两种阵列光阑对涡旋光束拓扑荷数检测的研究

使用两种不同的阵列光阑,将具有不同拓扑荷数涡旋光束透过这两种阵列光阑的夫琅和费衍射光场分别进行了计算.结果表明,在光阑参数选取适当的前提下,对于正方形环形孔径阵列光阑,可以得到任意拓扑荷数的涡旋光束清晰的点状衍射图样.衍射图样外围亮点的个数为拓扑荷数的2倍;而对于三角形孔径阵列光阑,在拓扑荷数较小时,容易得到衍射图样中的清晰完整亮条纹数目比相应拓扑荷数大1的结论,而当拓扑荷数较大时较难得到有规律结论,在两种不同阵列光阑下所得到的结论相差巨大.利用这两种阵列光阑发生衍射的方法可以在一定程度上方便地测量入射的涡旋光束的拓扑荷数,进而得其轨道角动量.

拓扑荷在圆盘状向列相液晶薄膜中的尺寸效应

拓扑现象对于病毒颗粒的空间分布、高分子聚合物纳米囊泡的成型以及玻色-爱因斯坦凝聚物等方面都发挥着重要作用.本文利用Landau-de Gennes理论,构建模型来模拟液晶中拓扑荷分布及其他现象.通过对数值模型序参量场的演化,以及模拟液晶薄膜中所生成的拓扑荷之间的相互作用来分析液晶(Lqc)薄膜的尺寸对拓扑荷的影响.研究结果表明,随着液晶盘半径增大,拓扑荷间最优距离与半径之比渐增并趋于稳定.此研究结论对利用拓扑荷凝聚颗粒物效应设计分离容器有指导意义,有助于进一步理解拓扑胶体和液晶以及液晶共聚物等软物质中的拓扑现象.

障碍物遮挡下漂移涡旋光束拓扑荷数的测量

复杂环境中漂移扰动和不透明障碍物破坏光振幅和光相位,给拓扑荷数(TC)精准测量带来挑战。分析了两种均匀离轴的多中心涡旋光束和一种随机离轴的漂移涡旋光束经扇形不透明障碍物(SSOO)后的传输情况,提出一种利用单柱透镜测量漂移涡旋光束TC的方法。对比光强法、傅里叶变换法以及相位法在极端条件下对漂移涡旋光束TC测量的结果,发现在以上3种方法失效时,所提方法仍可对输入光束的TC值大小及符号作出准确判断。这种抗光束漂移和抗遮挡的TC测量法对基于涡旋光的光通信和光加密具有重要应用价值。

拉盖尔-高斯光束拓扑荷复用测量的仿真

针对涡旋光束复用传输中拓扑荷测量的问题,根据广义惠更斯-菲涅耳积分,利用傅里叶光学分析方法和光束分步传播法,建立光束传播模型,对拉盖尔-高斯光束经复用在真空中传输进行数值仿真。通过分析光束真空传输后的相位分布,发现两束光复用后的相位分布特征与参与复用的各光束拓扑荷值之间有可辨别的关联,具体规律是相位的中心扇叶片数和叶片旋转方向与复用光束中拓扑荷绝对值较小的光束相同,而相位的外边缘相位叉点的个数和旋转方向分别与复用各光束的拓扑荷数值差的绝对值﹑拓扑荷数值较大者相同。所得结果为涡旋光束拓扑荷数的测量提供新方法。

拓扑荷数对拉盖尔-高斯涡旋光浑浊水下传输的影响

以高斯光作为参考光,实验研究了携带不同拓扑荷数的拉盖尔-高斯(LG)涡旋光在浑浊水下的传输行为。结果表明,水体较浑浊(衰减长度不大于0.118m)时,拓扑荷数较大的LG光束具有更强的水下传输能力;对于透射光束的能量密度分布而言,传输距离决定最佳拓扑荷数,与水体浑浊程度无关。该实验方法和测量结果对LG涡旋光在水下光通信和水下目标探测等领域的应用具有潜在的指导意义和工程价值。

偏振态对涡旋光束拓扑荷识别的影响

由于涡旋光具有内禀的拓扑荷(TC)属性,其作为空间光通信的载体会拥有更高维的希尔伯特空间,故基于涡旋光的光通信将明显提升信道容量和安全性。在光通信的信道接收端,需要准确且快速地识别TC以解码所传输的信息。将偏振态维度引入到TC的识别过程中,从数值模拟和实验验证两个方面研究了偏振态对TC识别的影响。通过分析马赫-曾德尔干涉仪中不同偏振态的信号光与参考光所形成的干涉图像发现,使用圆偏振态的高斯光(参考光)对圆偏振态的涡旋光(信号光)的TC识别最为有利,且在TC识别过程中具有圆偏振态的信号光与参考光对干涉光路的角度敏感性也最低。理论模拟与实验数据的吻合程度较好表明,所提的偏振干涉TC识别方案对未来高速、高容量涡旋光数千米量级的光通信具有一定的实用参考意义。

倍频过程中复合涡旋拓扑荷数的倍频效应

利用非线性频率转换过程获得高阶涡旋光场的方法得到了研究人员的广泛关注,目前关于该领域的研究大都集中在拉盖尔-高斯光束方面,而针对复合涡旋的非线性频率转换过程的研究不多。从理论方面分析了复合涡旋的倍频过程,得出了其倍频光场的涡旋分布,证明了复合涡旋倍频过程中拓扑荷数守恒。在实验方面,基于非线性光学晶体磷酸钛氧钾,验证了拉盖尔-高斯涡旋光倍频过程中的拓扑荷数守恒。基于马赫-曾德尔干涉仪产生复合涡旋光,并研究了其倍频过程。实验结果表明,复合涡旋光在倍频过程中的拓扑荷数仍然守恒。