面向微光学元件表面形貌测量的涡旋相移数字全息技术

非接触、无损害的相移数字全息技术对微光学元件检测具有独特优势。因传统的相移数字全息技术需要对相移器进行精细控制和繁琐校准,同时其光路易受到机械振动干扰,导致全息再现像的质量降低。本文借助涡旋光特殊的相位分布,提出了一种基于涡旋相移数字全息的微光学元件表面形貌测量方法。该方法利用螺旋相位板调制涡旋相位,引入高精度相移。基于构建的涡旋相移数字全息显微实验装置,采用干涉极值法确定了相移干涉图之间的真实相移量,并对螺旋相位板的旋转角度与相移量的关系进行标定,实验验证了涡旋相移的可行性;对微透镜阵列进行了重复测量实验,将测试结果与ZYGO白光干涉仪的测试结果进行比较。结果表明:测量得到单个微透镜的平均纵向矢高为12.897μm,平均相对误差为0.155%。所提方法可以实现对被测微光学元件表面形貌的高精度测量,具有易操作、稳定可靠、准确性高等优点。

透镜与相位板在马赫-曾德涡旋光干涉中的影响分析

马赫-曾德干涉仪是产生干涉光与涡旋光的重要器件。为形象展示干涉图样并分析相位板与聚焦透镜对光场性能的影响,应用Virtual Lab软件进行模拟分析,在光路中分别加入不同数量的竖直条纹相位板与径向螺旋相位板,并通过聚焦透镜对干涉光相位进行调节。结果表明,在引入竖直条纹相位板后,相位板数量越多,干涉条纹间距越大,聚焦透镜可以将条纹相位分布转换为圆环相位分布。在引入一块拓扑荷值l=10的螺旋相位板后,干涉条纹成为树杈型场分布和相位分布。在此基础上,引入第2块相位板,干涉图样成为涡旋干涉场,经透镜聚焦,干涉场相位分布均为涡旋状。

涡旋光在大学物理实验教学中的探究

涡旋光具有独特的强度和螺旋相位结构而备受人们的关注。基于涡旋光与铷原子相互作用,本文研究分析了入射光的频率、拓扑核数以及偏振状态等参量涡旋光束轮廓和能量分布的影响。实验结果表明这些参量可以实现对涡旋光空间分布的有效调制。我们的实验探索能让大学生对涡旋光有更深的理解,拓展他们的眼界。本实验研究也将在大学物理实验教学方面具有潜在的应用。

激光直写制作高阶螺旋相位板及其性能

将拓扑荷为4的螺旋相位光束与平面光干涉的计算全息图输入到空间光调制器中,得到含有多个衍射级次的高阶涡旋光束。为提高衍射效率,利用激光直写技术制作拓扑荷为4的高阶螺旋相位板,经测定,相位板深度理论数值为1.073μm,测量数值为1.082μm,相位板制作误差在0.83%以内。平行光束通过此相位板时,在夫琅和费衍射场获得一个高质量的高阶光学涡旋,光强分布与理论数值基本吻合,衍射效率达到86%。

利用螺旋相位板获取涡旋光束的传播分析

为研究涡旋光束在空间中的传播特性,首先从理论上对利用螺旋相位板获取涡旋光束的基本原理进行了推导,并得出影响涡旋光束光斑半径尺寸的详细因素。然后基于设计好的螺旋相位板模型,对具有不同拓扑荷数涡旋光束的传播过程进行了细致的模拟分析和实验验证。结果表明,光斑半径会随着光束传输距离的增加而逐渐变大,并且随着拓扑荷数的增大光斑展宽程度也会相应明显。最后验证了基于螺旋相位板叠加获取新型拓扑荷数涡旋光束的实验方法。该结论为激光应用中实现不同性质微粒的微控制提供了具体的指导。

平板断面颤振过程中能量输入特性研究

通过风洞试验研究流线型较好的平板断面颤振性能,基于流固松耦合的计算策略,应用CFD数值方法,模拟平板颤振过程。并用相位平均方法研究颤振临界状态下模型尾部旋涡的演化规律,分析表明模型尾部风嘴处呈直线排列的涡街规律性摆动主导结构振动直至模型振动发散。利用分块分析思路研究颤振过程中气流能量在模型表面不同区域的输入特性及模型尾部旋涡演化过程对模型表面气动力分布与能量输入特性影响。分块分析结果表明振动模型通过迎风端风嘴从气流中吸收大量能量,且在一完整振动周期内气流输入到振动系统的能量不断增加,造成平板颤振多为结构稳定性突然丧失。

用四台阶相位板产生涡旋光束

涡旋光束的产生与应用是当前光学领域的研究热点.利用傅里叶级数展开法分析了四台阶相位板的相位结构,发现四台阶相位板可看作是由一系列不同拓扑荷数的螺旋相位板所组成,用线偏振光直接照射相位板时,将产生多级衍射光波,各级衍射光均为不同拓扑荷数的涡旋光波,由于多级衍射光波间的干涉导致光强分布偏离轴对称分布,因而与涡旋光波有一定差距.在此基础上,提出了用四台阶相位板产生涡旋光束的新方案,借助于Mach-Zehnder干涉仪光路,两块四台阶相位板产生的衍射光干涉叠加,通过调节干涉仪光路的相位差,使一部分衍射级干涉相消,另一部分衍射级干涉相长,相互加强,从而把线偏振光转换为涡旋光束.数值模拟计算了几种周期数不同的四台阶相位板衍射光强和角动量分布,并与螺旋相位板进行比较,证明用简单的四台阶相位板不仅能够获得与用螺旋相位板相同的涡旋光束,而且可以用周期数较小的四台阶相位板产生具有大拓扑荷数的涡旋光束,降低了制作相位板的难度.

利用改进的螺旋相位板产生强度调制光学涡旋

从理论上分析了具有相位调制偏差的螺旋相位板所产生光场的涡旋特性,发现涡旋场主环上存在周期性的强度调制,而且中心有一亮斑,这一亮斑严重影响了调制涡旋场的质量;为了产生高质量的调制涡旋场,提出了一种改进的螺旋相位板,利用这种螺旋相位板产生的涡旋场在衍射过程中依然保持了很好的强度调制特性,实验结果和理论分析相吻合。

利用环形螺旋相位板产生高质量光学涡旋

通过分析理想的涡旋光场——拉盖尔-高斯光束,提出一种确定螺旋相位板的最佳结构参数的方法,模拟结果和实验结果均验证了此种方法的可行性.这为设计衍射光学元件提供了一定的理论基础和实验基础,在束缚粒子等方面有一定应用前景.

基于双环形旋涡相位调制的多焦点产生

为提高光学显微成像及微粒控制的效率,提出一种通过双环形旋涡相位板对入射光为拉盖尔高斯柱矢量光束进行波前相位调制的多焦点产生方法。通过Debye矢量衍射理论分析了该相位板对焦点区域光强分布的影响。分析表明,经调节内外环旋涡相位拓扑数及内环的半径,可以对焦点区域光强分布进行整形,在焦平面上产生多焦点,而且通过改变入射柱矢量光束的偏振态,可以进一步得到光场由轴向分量为主的多焦点及由横向分量组成的多焦点。通过改变旋涡相位板的拓扑数及光束的参数,可以达到对光斑的数量的控制。这对于捕捉折射率高于周围环境折射率的微粒具有重要的应用价值。

球面波干涉法测量拉盖尔-高斯光的轨道角动量

采用球面波的拉盖尔-高斯光(LG光)和平面波的基模高斯光干涉的方法,可观察到多叶螺旋的干涉图样,螺旋的叶数即是LG光的拓扑荷数,由拓扑荷数可知光子的轨道角动量.利用涡旋相位片产生拓扑荷数1~8的LG光,研究了光强比和偏振条件对干涉图样的影响.为获得高对比度的干涉图样,要求LG光和高斯光的偏振方向相同并且光强基本相等.球面波干涉法用于测量LG光的轨道角动量简单直观,与干涉光强空间分布的细节无关,因此对光强扰动和背景噪声不敏感.

利用灰度掩膜光刻技术制备螺旋相位片

螺旋相位片(Spiral phase plate简称SPP)是产生轨道角动量光束的一种重要光学器件,在光束调控、量子信息等领域有着重要应用.本文提出了一种基于计算机打印灰度掩膜的螺旋相位片的加工方法,详细讨论了SPP设计方法和光刻工艺,并实验制作了拓扑电荷为3的螺旋相位片,利用马赫-策德尔干涉仪实验对SPP产生涡旋光束进行了检测,获得良好的螺旋相位干涉图.本文的研究结果为低成本、高质量、高效率的螺旋相位片加工技术提供了一种有用途径.

部分相干涡旋光束的传输特性

研究了部分相干高斯-谢尔模型光束经过整数阶螺旋形位相板之后形成的部分相干涡旋光束,着重研究这种部分相干涡旋光束的传输特性。研究结果表明,这种光束在传输中呈现出环状结构的特点;整数阶螺旋形位相板的阶数越高,环状结构的半径越大;当入射的部分相干高斯-谢尔模型光束的空间相干度降低到一定程度时,环状结构消失了。此外,还研究了入射光束的空间相干度对衍射场中的光谱相干度的影响。

光学涡旋的研究进展

从理论、基础技术和应用三个方面对光学涡旋的发展历程和研究进展进行了概述。首先,重点介绍了线性光学涡旋和非线性光学涡旋孤子两种模型的最新理论研究成果,以及产生高亮度、高精度及高能量的光学涡旋的新思路和新方法,如计算全息法、新型螺旋相位板法、热透镜法及泵浦光重整法等。然后通过具体数据比较了这些方法的原理和特点。在应用领域,着重介绍光学涡旋在远距离光操纵、天文观测和MEMS微制造等多个应用领域获得的突破性进展,分析了光学涡旋应用的发展趋势,并对未来的研究方向进行展望。

平板式螺旋相位板的设计与应用

传统的螺旋相位板是一种利用沿方位角方向介质材料高度递增实现对光束相位调控产生涡旋光束的光学器件,由于这种特殊的几何结构特征使其不能通过相位板的叠加而调控出射光束所携带的角量子数.本文基于坐标变换方法将介质材料沿方位角方向折射率不变而高度递增的传统螺旋相位板变换为一种介质材料沿方位角方向高度不变而折射率递增的平板式螺旋相位板.通过理论分析与数值模拟,发现本文所设计的平板式螺旋相位板不仅与传统螺旋相位板一样能够产生高质量的涡旋光束,而且平板式螺旋相位板的高度和涡旋光束携带的角量子数可以根据介质材料的折射率选取而任意调节.为了实际应用的需要,可以通过叠加多层平板式螺旋相位板以获得不同角量子数的涡旋光束.这种平板式螺旋相位板在光传输、光通信等领域具有广阔的潜在应用价值.

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。

离轴高阶贝塞尔-高斯涡旋光束的传输分析

研究高斯光束经螺旋相位板和轴棱锥产生高阶贝塞尔-高斯涡旋光束的离轴传输情况,对于离轴高阶贝塞尔-高斯光束的成因、光强分布操控、光斑定位等实际应用具有一定的理论指导意义.利用菲涅尔衍射积分的卷积算法(Triple fast Fourier transform,T-FFT)对离轴高阶贝塞尔-高斯涡旋光束进行仿真分析,着重研究了螺旋相位板和轴棱锥的错位参数、拓扑荷数以及传输距离等参数对光束带来的影响.分析表明:离轴高阶贝塞尔-高斯光束具有不均匀的光强分布,由于轴棱锥的偏移,光束会整体发生偏移,传输不同距离光强不均匀分布情况不同,不同的拓扑荷数只影响光斑的扩展,螺旋相位板和轴棱锥离轴参量值的多种组合会导致多种不同的光强分布情况,甚至出现暗核偏移.

螺旋相位板生成涡旋电磁波仿真研究

涡旋电磁波的产生方式有多种,使用涡旋相位板即为其中重要的一种方式。该文对螺旋相位板产生涡旋电磁波的情况进行了仿真.通过仿真。给出了在喇叭天线口面上覆盖螺旋相位板时生成的涡旋电磁波的幅度相位分布。

光纤端面平面型螺旋相位板设计

针对传统阶梯型高阶螺旋相位板在光纤端面上制作难度大和使用过程中容易损坏的问题,文章提出了一种在光纤端面上制作平面型螺旋相位板的设计方案。这种相位板在不同方位角上高度相同,通过控制不同方位角处的折射率可获得不同的拓扑荷数。文章使用菲涅尔衍射理论对该方案产生的涡旋电场分布及光强分布进行了详细的理论分析,同时采用时域有限差分方法对基模高斯光束通过具有不同拓扑荷数的平面型螺旋相位板后在光纤中的传播过程进行了仿真验证。仿真结果表明,该种光纤端面平面型相位板对于高阶和低阶模式都能产生高质量的涡旋光束,有效克服了传统阶梯型螺旋相位板存在的不足。

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。