结构光场的产生及其非线性效应

发布时间：2020-09-22 16:33

　　结构光场是指一些具有特殊振幅、相位、偏振态分布、相干性、或带有轨道角动量的空间光束。在实际应用中,结构光场可以展现出独特的传输和变换性质,以及非线性效应。例如,结构光场特殊的相干性分布,使其在消除散斑、提高图像质量方面具有明显的优势;利用结构光场携带的轨道角动量,可以进行微粒操控,光学捕获等方面的研究;结构光场独特的光斑形状,使其在激光加工方面具有更多的优势;结构光场奇特的相位分布,也让其非线性效应更具科研价值。本学位文的主要研究内容如下:1.从理论和实验上分别获得了相干度完全可控的随机电磁光束(SEB)。也就是说,可以在两个相互垂直的偏振方向上,独立的控制光束的相干度。在两个正交方向的空间光调制器(SLM)上分别加载相位图,通过调节相位图的调制幅度,从而控制SEB的相干度分布。利用杨氏双孔干涉仪测量了光束的相干度,同时还测量了光束传播因子,实验结果和理论计算相一致。2.因为非均匀关联随机电磁光束中两点间的相干度不仅和两点间距有关,而且和两点的位置有关,从而在理论和实验两方面对非均匀关联随机电磁光束的产生进行了研究。理论上,基于相位关联与相干度的联系推导出非均匀关联随机电磁光束的2×2交叉谱密度矩阵及相干度分布。而后,利用两个SLM对入射光的两个正交偏振分量分别调制,获得了相干度完全可控的随机电磁光束。3.将相位调控技术引进到激光谐振腔内,搭建了一台相干度可控的部分相干数字激光器,通过在激光谐振腔中加载动态相位图,从腔内直接输出非均匀关联部分相干光。激光谐振腔的全反镜由SLM代替,通过改变SLM上相位图的束腰,可以控制输出光束的相干宽度。实验结果表明,光斑上两点间的相干度不仅和两点间的距离有关,还和它们在光斑上的位置有关。4.从实验上演示了利用闪光灯泵浦的Nd:YAG放大器将涡旋光束放大到焦耳量级。实验中,利用一块涡旋相位板(SPP)将高斯光束转换成涡旋光,并用两个Nd:YAG放大器来放大种子涡旋光。从而获得了一束脉冲宽度为10 ns,重复频率为10 Hz,放大效率为295%,最大能量995 mJ的涡旋光。利用KD*P晶体,还获得了一束最高能量为470 mJ的倍频涡旋光。5.实验中,利用偏振转换器将高斯光束转换成径向偏振光,再用两个Nd:YAG放大器将种子偏振光最大放大到772 mJ,光束的脉宽为10 ns,重复频率为10 Hz,放大效率为323%。在放大过程中,种子光的偏振态得到了保持。6.本学位论文还研究了带有轨道角动量(OAM)光束在水中的受激布里渊散射(SBS)特性。在实验中,利用一块散射相位板,实现了带有OAM光束的相位共轭。同时还测量到在SBS过程中的脉宽压缩,并且验证了涡旋光轨道角动量的守恒。
【学位单位】：华侨大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN248;O437
【部分图文】：

伴随矩阵,哈密顿,相干度,电磁场

( ( ) ( ))1 2 1 2 1 2121 2Tr W , W,I Iμ = r r r r(2.1.15)其中 I1=TrW(r1,r1), I2=TrW(r2,r2)，分别代表位置 1 和位置 2 处的光强，符号代表哈密顿伴随矩阵。将（2.1.11）式和（2.1.12）式带入（2.1.15）式，可以得到与（2.1.13）式相同的电磁场的相干度。

调制幅度,位图,入射光,随机相位

从而实现了在入射光上加载了一个随机相位函数。图2.1.2 展示了这些动态相位图中的一帧，其对应的调制幅度分别为 γ=0，γ=0.2，γ=0.5，γ=1。随着调制幅度的增加，SLM 对入射光波前的调制范围越大。图 2.1.2 动态相位图中的一帧，对应的调制幅度分别为（a）γ=0，（b）γ=0.2

相干度,方块,点线,拟合曲线

（2.1.10）式所示，SEB 各偏振方向的相干度由式 μjj=sinc2(γj)决定。图 2.1.3（a的点代表相干度的实际测量值，虚线代表对应的相干度的理论值。有许多原造成理论值与测量值之间的不同，这也是拟合结果中会出现参数 a 和 b 的。首先，在实验中，对于实现完全非相干光而言，SLM 的响应速率太低；，相对于 SLM 的像素间距 8μm，小孔的直径太大（0.1mm），这意味着，进每个小孔的光都由很多点光源组成；再者，在理论上，我们假设光源是各态的，但是实验中用 MATLAB 产生的随机相位是离散的，不是连续的。不过结果依然可以证明，可以分别独立的控制两个偏振方向上的相干度。

【参考文献】