Generalization and propagation of spiraling Bessel beams with a helical axicon

A generalized type of spiral Bessel beam has been demonstrated by using a spatially displaced helical axicon （HA）. The topological charge of the spiraling Bessel beams is determined by the order of the input Laguerre Gaussian （LG） beam and the topological charge of the HA. The obtained spiraling Bessel beams have an LG type of modulation along their propagation direction and exhibit annihilation-reconstruction properties. Theoretical analysis is presented, including that of the stability, propagation distance, topological charge, and spiraling dynamic characteristics. The mathematical and numerical results show that the propagation distance and helical revolution of the spiraling Bessel beams can be controlled through choosing appropriate radius of the HA.

像散Bessel光束自重建特性的理论和实验研究

基于菲涅耳衍射积分理论和巴比涅原理,推导出像散Bessel光束经圆形障碍物后的光强分布一般表达式.数值模拟了像散Bessel光束经圆形障碍物遮挡后光场的自重建过程,并设计相关实验进行验证,实验结果与理论模拟基本符合.结果表明:零阶像散Bessel光束经过轴上和离轴障碍物后均会发生光束重建现象.随着传输距离的增加,像散Bessel光束的外轮廓尺寸变大、中心光点阵列数增多,逐渐重建出不同于障碍物前的完整光束.并且观察到光束在重建过程中横向和纵向的重建速度并不一致,存在一定的速度差.利用螺旋相位板产生高阶像散Bessel光束,验证了高阶像散Bessel光束经障碍物遮挡后同样具有自重建特性.研究结果对像散Bessel光束在多层面粒子操纵方面的应用具有参考价值.

大气斜程传输中高阶贝塞尔高斯光束轨道角动量的研究

大气湍流引起大气折射率随机变化,导致空间不均匀性。高阶贝塞尔光束在大气湍流中传输时,空间不均匀性会使光子波函数改变,形成不同的光子态引起轨道角动量的弥散。在Rytov近似下,计算了高阶贝塞尔光束在大气斜程传输中各分量所占光束总能量的权重。讨论并对比折射率结构常数,光束波长,天顶角,轨道角动量数,接收孔径和光斑大小等参数对螺旋谱的影响,并给予相应的物理解释。结果表明:随着折射率结构常数,天顶角和传输距离的增加以及光束波长的减小,螺旋谐波主分量对应的谱减小,轨道角动量弥散越大,而且望远镜接收孔径和光斑大小对轨道角动量弥散的影响非常小。

角向偏振螺旋贝塞尔光束的传输特性

基于Collins公式,导出角向偏振螺旋贝塞尔光束的光场表达式,研究该光束的传输特性及暗核位置对光束偏振态的影响.通过理论分析和数值计算发现:角向偏振螺旋贝塞尔光束在一定传输区域内是以空心光束绕光轴做离轴螺旋传输,并且光束的发散角为0;光束的偏振态随着暗核位置的移动而发生整体偏移.

径向偏振螺旋贝塞尔光束的传输特性及其自重建

基于广义惠更斯-菲涅尔衍射理论,导出径向偏振螺旋贝塞尔光束的光场表达式,研究了该光束的传输特性和传输过程中光束偏振态的变化,及其通过扇形障碍物后的自重建特性.理论分析和数值计算发现:径向偏振螺旋贝塞尔光束在自由空间传输时,在一定传输区域内,光束以空心光束的形态绕光轴做离轴螺旋传输,光束的发散角为零并一直保持着径向偏振的特性;在光束的自重建过程中,始终保持离轴螺旋传输特性,随着传输距离的增加,原本在遮挡区域消失的能量,被逐渐衍射至障碍物遮挡区域的相反位置.

径向偏振部分相干螺旋贝塞尔光束的模拟研究（英文）

基于交叉谱密度函数以及相干偏振统一理论,导出径向偏振部分相干螺旋贝塞尔光束的光场表达式,研究了该光束的传输特性.通过理论分析和数值计算可知,径向偏振部分相干螺旋贝塞尔光束在自由空间传输时,光束以固定的螺旋半径进行螺旋传输.且在传输过程中,光束逐渐由螺旋空心光束演变为螺旋高斯光束,这一过程所需的传输距离与相干长度有关.该光束的偏振角和偏振度都会受到螺旋半径和传输距离的影响,同时,相干长度的变化也会影响偏振度的分布.而相干长度,传输距离和螺旋半径的改变并不会影响光束的偏振椭圆率的分布.

非相干LED光源产生高阶Bessel光束

首次采用单色LED绿光光源得到较理想的高阶Bessel光束,提出由交叉谱密度和多波长叠加理论计算出绿光LED发出的光经过螺旋相位板和轴棱锥后的光强分布,模拟出沿轴向不同距离处的截面光强分布图,设计一套实验装置进行实验验证,结果表明:通过光阑提高光场的空间相干性可以用绿光LED得到近似高阶Bessel光束,所得光束的截面光强分布,中心暗斑大小及最大无衍射距离均与理论计算相符.研究结果对非相干光实现粒子微操作提供理论和实验依据.

绿光LED产生高阶Bessel光的自再现

基于Hankel波理论分析了非相干光源产生高阶Bessel光束的自再现的可能性,利用交叉谱密度公式模拟了非相干绿光LED光源产生的一阶Bessel光束经过轴上圆形障碍物后的自再现光场分布,实验上通过由绿光LED发出的光场经过螺旋相位板和轴棱锥后产生一阶Bessel光束,并在光轴上放置圆形障碍物、方形障碍物来验证非相干光源产生的高阶Bessel光束的自再现特性,实验结果和理论模拟基本吻合,研究结果对于利用非相干光源实现多点光捕获和微粒操控有重要参考价值.

部分相干螺旋自加速贝塞尔光束

理论分析了螺旋贝塞尔光束的产生机理。根据高斯-谢尔模型的交叉谱密度公式及交叉谱密度传播理论,推导得出了部分相干螺旋贝塞尔光束的表达式。研究了部分相干螺旋贝塞尔光束的传输特性,同时分析了相干度对其传输特性的影响。结果表明,随着传输距离的增加,光束截面光强分布对比度逐渐下降,光场分布由贝塞尔型分布逐渐向高斯型分布转变,但是光束仍具备螺旋自加速特性;高阶光束出现了暗核消退现象,并且暗核消退距离随阶数的增加而增加。随着相干长度的下降,贝塞尔光场分布区间逐渐减小,光束的无衍射距离缩短。同时,探讨了光场调控对光束的影响,其中包括了全息片的参数设定以及光场相干度的调节。

可调螺旋轴锥镜实现高阶贝塞尔光束

高阶贝塞尔光束被广泛应用在激光加工和精密测量等领域。针对高阶贝塞尔光束的生成方法,通过空间光调制器加载高阶相位全息图,代替真实的螺旋相位板和轴锥镜。理论分析锥镜组合和相位叠加两种模式下的光场分布,设计实验对比两种模式下的光束调制情况。研究结果表明,相位叠加法的调制效果优于锥镜组合法,而且操作灵活、能减小加工误差,是一种有效的高阶贝塞尔光束的生成方法。

基于ResNeXt网络的扰动轨道角动量谱识别

涡旋波束携带的轨道角动量(OAM)模态在通信容量提高、同时同频多路信息调制等领域具有重要的应用前景,但涡旋波束经复杂介质环境后会造成波束场幅度和相位扰动,进而引起信道串扰、高误码率等问题。基于ResNeXt网络,提出了一种基于实测涡旋波束扰动场的图像,识别扰动场OAM谱分布的方法。以涡旋贝塞尔波束入射玻璃板的实验图像为例,利用所提方法进行OAM谱识别,对于不同入射方向情况下的场幅度图像,通过优化后的ResNeXt网络获得了透射场的OAM谱分布结果,对识别结果进行谱分布重构,并与数值计算结果进行对比,分析误差。结果表明,优化后的ResNeXt网络可以有效地识别出穿过玻璃介质之后的入射角为0°~45°的贝塞尔波束的透射场OAM谱分布,由于谱分布的弥散程度随着入射角度的增大而增大,与理论计算结果相比,主模相对误差亦随角度的增大而增大,但最大不超过22.86%。

聚焦贝塞尔光束在大气湍流中的螺旋相位谱

涡旋光束在大气中传输时的湍流效应导致其轨道角动量发生串扰,传输质量下降。为了有效减小光波在大气传输中的湍流影响,探索减缓湍流效应的措施,利用螺旋谱分析理论,研究了各向异性非Kolmogorov大气湍流及光束参数对聚焦贝塞尔光束的螺旋谱展宽和接收功率的影响。结果表明,光束的波长、拓扑荷数、束腰半径、宽度参数以及湍流的强度、各向异性程度、内外尺度均会对接收功率产生影响。通过多层相位屏模拟法对比研究了聚焦与准直贝塞尔光束的螺旋谱分布情况,分析得出聚焦贝塞尔光束的接收功率更高、串扰功率更低。