矢量涡旋光束角动量的转换与调控研究
发布时间：2020-04-06 06:28
【摘要】：随着现代光学的发展,激光在光纤通信、生物医疗、激光武器等领域发挥着越来越重要的作用。因此,人们对激光光束的特性化需求越来越高,而标量光束已不能满足人们的需求。近年来,通过对光束的偏振态、相位和振幅进行独立以及联合的空域调控,人们创建了许多新型空间结构光束。其中最典型的如艾里光束、贝塞尔光束、涡旋光束和矢量光束等。这些新型空间结构光束表现出了许多新颖的物理性质和现象,如横向自加速、无衍射、自动聚焦、超衍射极限的紧聚焦、时空光子弹以及光自旋霍尔效应等。这些新颖性质与现象又进一步激发了人们对新型光束的探索。最近,这类新型空间结构光束的角动量特性也逐渐引起了人们的关注,探究如何利用与调控光束的角动量,将有可能为结构光束的调控打开新的思路。然而,对光束角动量的研究方兴未艾,存在着许多有趣的科学问题值得深入探索。本论文针对矢量涡旋光束角动量的转换与调控进行了理论和实验研究,主要内容如下:(1)实验研究了如何实时高效地产生矢量涡旋光束。通过校正空间光调制器(SLM),实现了 0-2π相位的线性变化。校正后的SLM,可以直接加载纯相位图对入射光束进行精准的相位调控。利用其搭建了一套高效产生矢量涡旋光束的光路系统,实验结果表明,该系统将矢量涡旋光束的产生效率,相比利用加载计算全息图方式时的1.5%提高到了 10.2%。进一步研究表明,若引入光束位移器或者三角干涉仪,可以将矢量涡旋光束的产生效率提高到47%左右。(2)理论和实验研究了光束在两种介质分界面上反射时的自旋相关位移。通过构建光束的三维传输模型,得到了可精准描述光束反射特性的反射矩阵。结合反射矩阵与角谱理论,得出了高斯光束反射时的自旋相关位移。实验上,当光束以布儒斯特角反射时,利用优化的弱测量方案测量了高斯光束反射时自旋相关位移与其偏振方向的关系。此外,推导了径向偏振光束在部分反射和全反射过程中的自旋相关位移,讨论了增强的自旋-轨道相互作用,并利用数值模拟对相关理论结果进行了验证。(3)理论和实验研究了对称破缺振幅挡板对矢量涡旋光束角动量分布的调控规律。根据衍射的角谱理论,得到了破缺柱矢量光束左、右旋分量衍射远场分布的半定量表达式,揭示了对称破缺柱矢量光束产生自旋相关角向分离的物理机制以及关联参量。利用塞纳克干涉仪光路,获得了振幅对称破缺柱矢量涡旋光束,实验观察了其自旋相关角向分离。进而,利用所得到的调控规律,首次实现了非对称的自旋相关分离。(4)理论和实验研究了非线性涡旋相位对矢量光束角动量的调控规律。分析了矢量自动聚焦光束的焦场特性。针对非线性涡旋相位调制的衍射远场,提出利用局部空间频率映射衍射远场强度分布的方法,并揭示了这种映射满足的一般规律。利用非线性涡旋相位诱导的光自旋-轨道耦合,实现了对矢量自动聚焦光束焦场自旋(SAM)、轨道角动量(OAM)和强度分布的调控。进一步讨论了这种局部空间频率映射关系在研究其他具有复杂波前相位光束传输演化特性时的应用。(5)理论和实验研究了具有OAM的矢量涡旋光束在自由空间传输时,横向偏振态分布随传输距离的变化规律。通过分析矢量涡旋光束左、右旋分量的Gouy相位,得到了焦场偏振态转变与其偏振阶数和相位拓扑荷的关系。利用涡旋波片、半波片和相位掩膜版,灵活高效地产生了高阶矢量涡旋光束。进一步,实验对比了矢量涡旋光束焦场的偏振结构变化,揭示了 Gouy相位调控光场偏振态转化的基本规律。
【图文】：
庞加莱（Ｐｏｉｎｃａｒ６）球：虽然式（１．２）所示的斯托克斯参量可以．定量地描述光束的逡逑偏振态分布，但为了更形象直观地描述光束的偏振态，１８９２年庞加莱（Ｈ．邋Ｐｏｉｎｃａｒｅ）首逡逑次提出用＝个球（后人俗称庞加莱球）来描述标量光束偏振态，如图１．１所示。从数逡逑学上来说，庞加莱球面上任意一点Ｐ都可以用坐标（２仍２Ｘ）来表示，其中３邋２炉和２％逡逑分别为经度和炜度坐标。球面坐标与斯托克斯参＆＾间的关系可表示为［３５］逡逑２（ｐ邋＝邋ａｒｃｔａｎ［Ｓ２邋／Ｓｙ）逦（１．３ａ）逡逑２ｘ邋＝邋ａｒｃｓｉｎ（５３／Ｓ＾）逦（１．３ｂ）逡逑３逡逑
之间的住意：点）时，，0＜＆＜１，＿．示右旋椭圜偏振v幔唬炊裕в诔嗟烙肽霞义霞涞娜我獾悖┦保保迹Γ
本文编号：2616148
【图文】：
庞加莱（Ｐｏｉｎｃａｒ６）球：虽然式（１．２）所示的斯托克斯参量可以．定量地描述光束的逡逑偏振态分布，但为了更形象直观地描述光束的偏振态，１８９２年庞加莱（Ｈ．邋Ｐｏｉｎｃａｒｅ）首逡逑次提出用＝个球（后人俗称庞加莱球）来描述标量光束偏振态，如图１．１所示。从数逡逑学上来说，庞加莱球面上任意一点Ｐ都可以用坐标（２仍２Ｘ）来表示，其中３邋２炉和２％逡逑分别为经度和炜度坐标。球面坐标与斯托克斯参＆＾间的关系可表示为［３５］逡逑２（ｐ邋＝邋ａｒｃｔａｎ［Ｓ２邋／Ｓｙ）逦（１．３ａ）逡逑２ｘ邋＝邋ａｒｃｓｉｎ（５３／Ｓ＾）逦（１．３ｂ）逡逑３逡逑
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