涡旋光束的传输与聚焦特性

【摘要】具有螺线型相位分布的光束称为涡旋光束,研究表明涡旋光束中存在着相位奇点,此外光束中的每个光子携带了轨道角动量,这些特性使得涡旋光束在粒子囚禁与操控、光信息编码与传输、原子光学等众多领域中都有重要的潜在应用价值。因此,关于涡旋光束的研究成为了现代光学中的一个重要研究领域。本文对涡旋光束的传输和聚焦特性进行了研究,主要研究内容包括以下几个方面：1.研究了两种特殊偏振分布的涡旋光束经过4Pi聚焦后在焦点附近的光强分布。对径向偏振涡旋光束的研究表明：通过适当地改变入射涡旋光束的拓扑荷数和偏振方向,可以获得一些具有特殊光强分布的聚焦光斑,如：亚波长大小的球状聚焦光斑,球状空心光斑,以及在一定的范围内保持不发散的球状空心光斑阵列和空心光束。对角向偏振一阶涡旋光束的研究表明：通过加入合适的光阑,在焦点附近可以产生球状聚焦光斑,并且可以通过改变两束入射光之间的相位差来控制聚焦光斑的位置。当入射光束的拓扑荷数变大时,可以在聚焦区获得在一定长度内保持不发散的亚波长空心光束。2.研究了椭圆涡旋光束经过方形波带片的衍射特性。发现入射光束为环形高斯光束,主焦平面处可以获得宝石型光斑；入射光束为椭圆高斯光束,可以获得棱形光斑；入射光束为环形涡旋光束和椭圆涡旋光束,可以获得宝石型和棱形空心光斑。3.研究了携带一对光涡旋的高斯光束经过大数值孔径系统后,在焦点附近的光强及相位分布。研究结果表明：携带两个拓扑荷数为+1光涡旋的光束,在焦平面处光涡旋的位置将出现90度的旋转；携带两个拓扑荷数为-1的光涡旋,光涡旋的位置也出现了旋转,但是旋转方向与两个+1光涡旋的方向相反；而携带涡旋偶极子的光涡旋,在焦平面附近,两个光涡旋会慢慢互相靠近,在焦平面湮灭,当远离焦平面时将重现。4.提出了一种新型的二次方涡旋光束,光束的相位与方位角的平方成关系,其相位表达式为exp(imθ2)。以相位因子为exp[imθ2/(2π)]的光束为例,研究了这种新型光束的传输特性,发现这种光束有m个相位奇点,光强分布中出现了m个暗核,暗核的大小并不相同。在传输的过程中,相位奇点的位置随着传输距离的增加出现了移动。5.数值模拟了部分相干涡旋光束在non-Kolmogorov湍流大气中的光强演化。在大气湍流中传输时,当传输距离足够长时,部分相干涡旋光束的中间凹陷型光强曲线分布将最终演化为类高斯型分布。所需的传输距离与光束的拓扑荷数、相干长度、大气湍流的折射率结构常数以及谱参量有关。拓扑荷数越大、相干长度越长、大气湍流越弱,都将使得这一传输距离变长。随机电磁涡旋光束在大气湍流中传输时,当传输距离较短时,其轴上点的偏振度不再保持与入射光束一致,而是与入射光束的相干长度以及拓扑荷数有关。但是传输距离足够长时,还是最终恢复到入射光束的数值。6.实验测量了涡旋光束在模拟和实际两种湍流大气中的闪烁指数。利用毛玻璃模拟湍流大气的结果表明：相同距离处,涡旋光束在模拟湍流中的闪烁指数比高斯光束更小,并且涡旋光束的拓扑荷数越大,闪烁指数越小。对光束在不同强度的实际湍流中闪烁指数的研究表明：当传输距离由100m增加到400m时,高斯光束和一阶涡旋光束的轴上闪烁指数随着传输距离的增加而增加,而四阶涡旋光束的轴上闪烁指数则出现了先增加后减小的趋势。在较弱的湍流中,四阶涡旋光束400m处的轴上闪烁指数比高斯光束和一阶涡旋光束的轴上闪烁指数更大；而在较强湍流中,涡旋光束400m处的轴上闪烁指数比高斯光束更小,且拓扑荷数越大,闪烁指数越小。
【作者】陈子阳；
【导师】赵道木；
【作者基本信息】浙江大学，光学，2014，博士
【关键词】涡旋光束；相位奇点；拓扑荷数；涡旋偶极子；随机电磁光束；径向偏振；角向偏振；偏振度；闪烁；大数值孔径聚焦；4Pi聚焦；大气湍流；菲涅尔波带片；

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