高质量光学涡旋阵列的实验研究

将光学涡旋与计算全息技术相结合,提出一种高质量光学涡旋阵列的产生方法.从理论上研究了光学涡旋阵列的形成和分布特征,并模拟仿真产生涡旋光束阵列.基于面向目标的共轭对称延拓傅里叶计算全息方法编码生成光学涡旋阵列的全息图,利用单个反射式空间光调制器光电再现了与理论一致的光学涡旋阵列,并通过马赫-增德尔干涉法对生成的光学涡旋阵列进行验证.产生的高质量光学涡旋阵列提供了更复杂的结构分布和更多的可控参量,且实验光路易实现.研究结果在光学微操控、光通信等领域具有潜在应用价值.

涡旋阵列光场与涡旋光镊技术

涡旋阵列光场不仅具有单涡旋光束的特性,而且新增了空间排列这一新的自由度,新颖的结构与特性使其在光通信、光学微操、大容量光存储等领域应用广泛.本文研究了周期性阵列光场的特性与产生,利用多束涡旋光束叠加制作单环、双环的晶格,通过模拟和实验设计制作了多种二维涡旋阵列光场,如线性排列、矩阵排列和径向排列的二维涡旋阵列光场,并分析了其结构特性.利用二维周期阵列光场与沿z轴传播的平面波相干涉,产生多种三维阵列光场,如六角型、六边螺旋型、Kagome型和Honeycomb型三维涡旋阵列光场.在应用方面进行了光镊实验,分别用涡旋波片法和全息法产生涡旋光束并应用于捕获二氧化硅微粒并驱动其旋转,实现了涡旋光束的粒子微操纵.这两种方法产生的涡旋光束均可用于光镊技术,启发我们在未来的应用中寻找更为便捷高效的光镊技术手段以提高工作效率.

光涡旋阵列位移测量模拟

将光学涡旋点阵与电子散斑干涉技术相结合,提出了一种基于涡旋光干涉特性测量物体离面位移的新方法.利用三束光干涉产生光涡旋点阵作为物光,模拟了物体变形前后与平面波干涉的图样.推导得出光流场运动矢量场与干涉图样条纹频率、变形相位场之间的关系.模拟计算得到的三维位移相位场与理论值相吻合.模拟结果表明,光学涡旋点阵用于物体变形的测量,提高了测量灵敏度,为相位测量提供了新方法.

金膜的纳米孔结构在线偏振光下产生涡旋阵列

通过在金膜上刻蚀纳米孔结构,我们用线偏振光照射样品表面并在一定衍射距离处采集衍射场的信息而得到七个有序排列的涡旋组成涡旋阵列.实验中我们搭建了马赫-曾德尔干涉仪,用CCD记录在样品远离物面不同距离处产生的衍射场和在有参考光照射下产生的干涉条纹图.在得到的光强图样中出现了七个涡旋有序排列中心处,我们称之为七涡旋阵列.通过改变衍射距离,我们观察了七涡旋阵列的演化.此外,我们利用傅里叶变换的方法提取了光强图样对应的相位分布.

多环形光学涡旋阵列的实验产生及特性

将多个完美涡旋同轴叠加,产生了一种多环形光学涡旋阵列。多环形光学涡旋阵列中涡旋的数量和大小由所用完美涡旋的拓扑荷决定,其涡旋性质通过调控±1级多环形光学涡旋阵列干涉验证。通过改变完美涡旋初始相位差,可以实现多环形光学涡旋阵列的旋转。研究结果表明:相邻两环间隔最小时,锥透镜锥角差为0.04 rad。在最小环间隔条件下,将多束完美涡旋同轴叠加,探索出多环形光学涡旋阵列中环数量的极限为4。

一维阵列涡旋光束在海面大气中的传输特性

相较于单涡旋光束,涡旋阵列光束能够扩充信息的传输容量,研究其传输特性对其光通信应用具有重要意义。本文选取阶数为n的螺旋因斯-高斯(HIG_(n,n))模式,采用海上大气折射率变换的功率谱,模拟海面大气湍流。基于相位屏法研究了一维阵列涡旋光束在海面大气湍流中光强、相位、闪烁因子和质心漂移的变化情况。结果表明:(1)HIG_(n,n)模式的闪烁因子和质心漂移标准差随湍流强度以及大气湍流内尺度的增加而增加;(2)n为奇数的HIG_(n,n)模式的闪烁因子随着阶数的增大而减小,且高于n为偶数的HIG_(n,n)模式;(3)阶数n>1的HIG_(n,n)模式比LG_(0,1)模式具有更好的稳定性;(4)阶数越高,HIG_(n,n)模式的质心漂移标准差越小。其次,选取线性阵列涡旋光束(LAVBs)进行对比,研究得出虽然LAVBs比HIG光束具有更好的传输性能,但由于HIG光束具有独特的结构,故可适用于不同的应用场景。最后,分析了椭圆参量和椭圆环数对HIG模式传输的影响,结果表明适当地增大椭圆参量或椭圆环数有助于提高HIG模式的抗湍流能力。本文研究结果对涡旋光束的海上应用具有指导意义。

旋转框架下的超冷玻色气体——极尽深寒的量子世界里的奇妙涡旋

玻色–爱因斯坦凝聚与量子霍尔效应是近现代理论与凝聚态物理研究的两大热点,旋转框架的构建为玻色系统研究两者之间提供了很好的平台。本文以超冷玻色气体为研究主体,通过谐振势与旋转构造特殊的旋转框架,获得与磁场中二维电子气体相似的哈密顿模型。同时,选取朗道规范和最低朗道能级近似,通过理论和数值上研究相互作用系数对系统基态能量和基态波函数的影响,其结果无量纲化表示。结果表明,在较弱的相互作用下,系统的基态为经典的玻色–爱因斯坦凝聚态,并随着相互作用增加,出现准粒子激发,借助Bogoliubov近似可以观测到与超流氦4类似的旋子激发谱结构。随后,继续增加相互作用则会出现涡旋阵列,其涡旋阵列的数目与相互作用系数密切相关,而涡旋的大小与旋转频率有关。最后,在较强的相互作用下,可以想象系统会进入一个涡旋高度密集的状态,当涡旋的数目与粒子数目出现数量级的特殊关系时,预计会形成量子霍尔结晶相,并可能出现分数量子霍尔现象,这为进一步研究量子化涡旋物理和量子霍尔效应提供了一个新的途径。

含多阶涡旋的无衍射阵列光束的设计

涡旋在光学领域一直有很广泛的应用价值,光学微操纵技术,自由空间的光通信,以及光学测量技术都用到了涡旋光.而高阶涡旋光和阵列涡旋光更是对粒子的批量自组装具有高效的作用,但以往的论文设计出的高阶涡旋光只局域在很小的传播范围(10^(-6)m),所以几乎没有应用价值.本文从理论上设计了含高阶涡旋的阵列涡旋无衍射光场,这种光场的无衍射传播距离大约在30cm左右.在数学上通过傅里叶变换方法推导了阵列涡旋无衍射光场的数学表达式,用数值模拟的方法得到了涡旋阵列光场,实验上利用空间光调制器(SLM)得到了多阶涡旋阵列光场.此外,我们还测量了这种多阶阵列涡旋光场的无衍射距离.本文的研究在光学微操纵,粒子批量自组装等领域具有应用价值.

阵列涡旋光束的轨道角动量特性

从近轴条件下光束轨道角动量理论出发,分析光束的轨道角动量,计算矩形对称的严格周期性阵列光学涡旋的轨道角动量,得每单元格的轨道角动量是确定的,并不与测量轴有关;但是单元格的轨道角动量取决于单元格的选择.分析由三束平面波干涉而得的涡旋阵列光子的轨道角动量,并验证了结论.

基于双光栅衍射的规则涡旋光阵列产生方法

本文提出了一种利用双光栅衍射获得规则涡旋光阵列的方法,将设计的两光栅分别加载到两个空间光调制器(Spatial Light Modulator,SLM)上,平面光波依次垂直通过两光栅,通过改变两光栅的衍射距离获得相位分布不同的涡旋光阵列,推导得出涡旋光阵列光场强度的表达式.针对两光栅的不同衍射距离产生涡旋光阵列的峰值强度进行了分析,得出了产生高质量涡旋光阵列的最佳衍射距离.模拟实验表明,利用双光栅衍射的方法可获得高质量的规则涡旋光阵列.该方法装置简单容易实现,为产生规则涡旋光阵列提供了一种新途径.

阵列涡旋光束在不稳定分层海洋中的远距离传输

阵列光束在大功率激光合成、远距离通信、高质量输出等方面发挥着重要作用。本文利用相位屏法模拟海洋湍流,研究了径向阵列涡旋光束与矩形阵列涡旋光束在具有外尺度的不稳定分层海洋中的传输特性,并将其与单涡旋光束的传输特性进行了对比,分析了三种涡旋光束在海洋湍流中的光强与相位分布。结果表明:两种阵列涡旋光束传输一段距离后不再保持初始的阵列分布,子光束之间会相互影响,产生了干涉条纹。在相同的条件下,单涡旋光束的漂移比两种阵列涡旋光束大,束宽比两种阵列涡旋光束小,而且径向阵列涡旋光束的漂移比矩形阵列涡旋光束大,束宽比矩形阵列涡旋光束小。在较远距离处,单涡旋光束的闪烁指数比两种阵列涡旋光束大,而且矩形阵列涡旋光束的闪烁指数比径向阵列涡旋光束大;在较强湍流和远距离处,三种涡旋光束的束宽逐渐减小。

利用周期型正交二元相位板产生正方阵列涡旋和螺旋光场

设计了一种周期型正交二元相位板,其具有周期型矩形调制单元,各单元的相位调制量为0或π。该相位板的空间频谱具有中心直流分量为0的特点,分别对该频谱中心区域的4个一级频谱点和8个二级频谱点进行相位调制,可得到正方阵列光斑和正方阵列涡旋。阵列涡旋中各涡旋光束的拓扑荷数l=±1,在空间交错分布。由于两个正方阵列光场在垂直传播方向的横向周期恰好重合,且两个光场沿光轴方向的波数不同,因此叠加之后可以形成强度分布随传输距离旋转的正方阵列螺旋,阵列中存在两种具有相反螺旋方向的螺旋光束,同样在空间呈交错分布。此外,讨论了产生最佳螺旋光束的相位板设计条件,并给出理想情况下系统的能量利用率,所得实验结果验证了该方法的可行性。

基于光取向技术的液晶螺旋达曼波带片

涡旋光阵列在光通信、多微粒操控、并行激光加工等领域有着广阔的应用前景,近年来受到越来越多的关注。然而动态可调的纵向涡旋光阵列的实现仍具有一定挑战性。本文基于达曼编码方法与液晶光取向技术,设计并制备出一种液晶螺旋达曼波带片。实验结果表明,该器件可以高效地产生拓扑荷数逐级变化的1×5纵向涡旋光阵列,并可以通过改变外加电压来动态切换器件的开关态。此外,该器件通过水平/竖直翻转一次或是改变入射光模式,还可以对产生的纵向涡旋光阵列的拓扑荷数进行反转变换或加减运算。液晶螺旋达曼波带片兼具低成本、高效率、电光可调等优势,有望促进液晶光电元件在多维光场调控等领域的应用。

高阶衍射级光束的轨道角动量

为研究高阶衍射级光束的轨道角动量,基于计算全息法在空间光调制器的傅里叶平面产生了不同衍射级的完美涡旋光束,并利用球面波干涉法对其拓扑荷值进行了测量。理论和实验结果表明不同衍射级p上的整数阶和分数阶完美涡旋光束的拓扑荷值l都满足l=mp的关系,其中m是相位掩模板的拓扑荷值。并进一步对不同衍射级的光学涡旋阵列进行了实验研究,结果表明光学涡旋阵列中光学涡旋的拓扑荷值满足l=p的关系,高阶衍射级上的衍射光束比+1级衍射光束具有更大的轨道角动量。该研究为光学涡旋及光学涡旋阵列进一步的研究及应用提供了理论和实验参考。

涡旋激光阵列产生技术研究进展

与单涡旋光束相比,涡旋光阵列具有多个相位奇点,不仅能够增大信息传输容量,还能增加捕获和观察到的微粒数量。目前在光学领域有多种涡旋光阵列的产生方法,如干涉法、泰伯效应法、光楔衍射法、模式转换法、达曼涡旋光栅法、计算全息法、空间光调制法、超材料图案法等。对这些研究方法的理论模型、实验原理、实验结果及其研究现状进行了详细介绍,并对应用前景作出展望。

径向阵列涡旋光束在大气中的传输与扩展

在高能激光合成、空间光通信及其他激光工程中的潜在应用方面,阵列涡旋光束逐渐受到人们的关注。基于多重相位屏的数值方法,研究阵列涡旋光束在von Karman湍流中的传输特性,分析了光场的演化情况。结果表明:光束传输一段距离后发生融合,融合后的光束拓扑荷与初始光场中子光束的拓扑荷相同。考虑到光斑扩展会导致拓扑荷的损失进而使得通信效率下降,分析了不同湍流和光束参量对光束相对束宽的影响。湍流强度对相对束宽影响较大,拓扑荷等其他参量均对其有不同程度的影响,相对于单束涡旋光,阵列光束具有更小的相对束宽。