艾里涡旋光束在梯度折射率介质中的动态传输与涡旋轨迹

推导了艾里涡旋光束在傍轴ABCD光学系统中的传输解析式,研究了其在梯度折射率介质中的动态传输、坡印廷矢量和涡旋轨迹,及涡旋核对艾里主波瓣和坡印廷矢量的影响.结果表明:弹道轨迹和涡旋轨迹不再是传统的抛物线,而是呈三角函数分布;在z=(2j+1)L/4处,弹道轨迹和涡旋轨迹均会有奇异现象,且在z=(j+1)L/2附近有坡印廷矢量的反转现象.在临界传输距离处,艾里主波瓣会被涡旋核遮拦,随着传输距离的增大,艾里主波瓣由于自愈特性再次出现,并绕最近的涡旋核旋转.

径向阵列艾里涡旋光在倾斜大气湍流中的漂移特性

采用等Rytov指数间隔多相位屏法来模拟径向阵列艾里涡旋光束(RAAVB)沿倾斜路径通过大气湍流时的光斑质心漂移。对比并分析了拓扑荷、天顶角、湍流外尺度和涡旋离轴距离对光束漂移的影响。结果表明:光束在倾斜大气湍流中传播时,相同条件下,CAAVB的漂移现象比阵列艾里光束受湍流影响更小;相比于天顶角和湍流外尺度,拓扑荷对光束漂移现象影响更大,光束漂移随拓扑荷的增大而减小,随天顶角和湍流外尺度的增大而增大;离轴型RAAVB的漂移现象比轴上型更严重,且漂移随着涡旋离轴距离的增大而增大。

艾里涡旋光束通过负折射率介质的传输特性

为了研究Airy涡旋光束通过负折射率介质(NIM)的传输动力学特性,利用Collins公式推导出了Airy涡旋光束通过NIM的传输动力学方程,并用该方程研究了Airy涡旋光束在NIM中的光强、涡旋、相位等传输特性。结果表明,通过调节NIM的参数可实现对Airy涡旋光束主峰位置、涡旋位置、主峰与涡旋的重叠位置和光强的控制。光束在NIM中的特性研究在光学显微操控和光学分选等领域具有潜在价值。

双复合离散型艾里涡旋加速光的传输特性

利用全息技术,采用二元相位处理后的离散型艾里涡旋相位,制作了一种双复合离散型艾里涡旋加速光.理论模拟和实验探究了该加速光的传输特性,以及线性因子(s)、径向层数(N)和拓扑荷梯度(ΔL)对光场的调控机制.结果表明,双加速光在传输过程中,由于离散和旋转效应,逐渐分离为多个类艾里光;通过调节传输距离及ΔL,可实现二维类艾里光至一维类艾里光之间的演化.此外,N和s可分别调节双加速光的强度分布及其在初始截面(z=0处的x-y平面)中的位置分布;ΔL也可调节分离的类艾里光之间的强度分布.

艾里涡旋及其衍生光场

艾里光束作为一种具有自加速特性的无衍射光束,在光镊、光学成丝、成像、表面等离子激发等众多领域都具有应用潜力。而在艾里光束基础上引入涡旋项可以丰富光场特性,同时利用艾里光束特性与涡旋相位特性为光场分布调谐提供了更大的灵活性,也引入了更多的动力学演化特性。以直角坐标和极坐标系下艾里光束的特性与应用为切入口,系统介绍了各类艾里涡旋的参数调谐与演化特性,包括直角坐标和极坐标系下单个艾里涡旋在各个情况下的演化特性、产生方式与应用,以及直角坐标和极坐标系下的艾里涡旋叠加光束的奇特性质等,为系统了解艾里涡旋参数及动力学特性提供参考,进而为产生具有更加丰富性质的光场打下基础,对扩大艾里涡旋的实际应用领域具有指导意义。

艾里涡旋光束的多空间维度自由调控

基于多坐标变换技术,依次对一维艾里光束、二维艾里光束以及艾里涡旋光束进行不同坐标系下的变换,实现了艾里光束的两个边瓣方向和嵌入的光学涡旋方向在0到2π范围内的自由调控。分析了边瓣夹角分别为钝角和锐角时的艾里光束以及边瓣垂直时的艾里涡旋光束在传播距离0、2、6、10 cm处的传播动力学特性。理论与实验研究结果表明,通过边瓣夹角的变化,可以使调控后的光束沿任意抛物线轨迹及传播方向运动。此外,当边瓣方向相反时,通过添加位移因子d,实现了嵌入的光学涡旋拓扑荷的原位测量。该方法不需要额外的光学元件,并且不受环境振动和寄生干扰的影响。本文方法将促进艾里涡旋光束在微粒捕获和光学清扫等领域的应用,并且具有普适性,可用于不同复合光场的组合与拆解,为其多维调控提供了新的解决思路。

艾里涡旋光束在大气湍流中的漂移特性研究

采用多层相位屏法模拟了艾里涡旋光束在大气湍流中的漂移特性。讨论了拓扑电荷p、涡旋核相对于光束中心的离轴距离x_d,y_d和湍流强度C2n对艾里涡旋光束在不同传输距离处的漂移特性的影响。研究发现,在相同传输距离处,漂移量随着C2n的增大而增大。在传输距离比较小时,p和x_d,y_d对漂移的影响比较弱,漂移量几乎相等。当传输距离比较大时,漂移量随p的增大而减小,随x_d,y_d的增大而增大。此外比较了单束艾里涡旋光束的漂移量和阵列艾里涡旋光束的漂移量,研究发现,阵列艾里涡旋光束的漂移量比较小。

艾里涡旋光束通过电磁感应透明介质的传输特性

为了研究艾里涡旋光束通过电磁感应透明(EIT)介质的传输特性,利用ABCD矩阵光学理论推导出了艾里涡旋光束通过EIT介质的传输解析表达式。利用该解析表达式研究了艾里涡旋光束通过EIT介质的传输特性。研究结果表明,在特殊的传输距离处,艾里光束的主峰被叠加在上面的涡旋彼此破坏;随着传输距离增加,被破坏的主峰逐渐恢复,涡旋又重新出现。此外,通过调控电磁感应透明介质的拉比频率就可以实现对艾里涡旋光束主峰位置和任意场点光强的控制。

环形阵列艾里涡旋光束的自聚焦特性

理论上提出并实验制备了一种环形阵列艾里涡旋光束(CAAVB),该CAAVB由按环形阵列分布的多个艾里光形成,并具有自聚焦特性。通过增加艾里光阵列数,能够有效提高自聚焦光束的光场强度。仿真结果表明,在相同的条件下,加载光学涡旋能明显提高CAAVB的自聚焦特性。此外,通过调节环形艾里光阵列的半径来改变光束聚焦的位置,实现对焦距的非机械调节。

克尔效应对两种特殊涡旋光束传输特性的影响

完美涡旋光束与环形艾里高斯涡旋光束在传输过程中能够克服衍射的影响,保持较为集中的光能量分布。当光束能量较高时,远程传输过程中这两种光束都会受到克尔效应的影响。利用分步傅里叶方法分析和比较了两种光束在克尔效应影响下的传输特性,重点讨论了入射光强和拓扑荷数变化时光束能量的变化规律。结果表明,受衍射和克尔效应共同作用,在大气中传输时两种涡旋光束的能量分布都将随传输距离的增加发生周期性变化,且能量分布变化周期随入射光强增大而减小,而且随着拓扑荷数的增大,光束稳定性也增强。相比而言完美涡旋光束的形状保持能力更好,能量演变更加平稳。

艾里高斯涡旋光束正负交变介质中的光波演变

利用光学传输矩阵,结合广义惠更斯-菲涅耳光学衍射公式,研究了艾里高斯涡旋光束在正负折射率交替变化周期平板介质中传输时,其输出横截面光强分布规律和侧面传输光强的演变图景。结论显示:当右手材料折射率nr和双负材料折射率nl绝对值正好相等,并且右手单元长度R:双负单元长度L=1:1时,可以实现输出面光强的完美还原;当双负材料折射率绝对值abs(nl)≠nr,但R=L时,两类周期介质输出表面的光束质量都很差,此时,若要实现输出光强的完美还原,较大的abs(nl)需要较长的双负单元长度L来进行补偿,反之则反;进一步探究了准周期平板介质中双负材料单元长度和负折射率的定量关系。期望相关结论可以对含特异材质周期和准周期结构中艾里高斯涡旋光束的调控和通信传输提供重要的参考价值。

圆艾里高斯涡旋光在各向异性非Kolmogorov湍流大气中的传输

采用非均匀采样与功率谱反演法产生与湍流尺度相关的各向异性非Kolmogorov湍流随机相位屏,进而利用空间光调制器模拟研究圆艾里高斯涡旋光束在大气湍流中的漂移特性和轨道角动量态变化。数值模拟和光学实验结果均表明,圆艾里高斯涡旋光束的漂移值随光束衰减系数、光束主半径、大气湍流外尺度和传输距离的增大而增大,随湍流各向异性系数和光束拓扑荷值的增大而减小,并且在湍流幂律值为3.3附近有极大值。此外,通过对比圆艾里高斯涡旋光束经过大气湍流前后的干涉条纹图样,发现整数阶时拓扑荷值越小,光束经过湍流之后拓扑荷值稳定性就越好。