飞秒激光制备带有闪耀光栅的全息板实现复合涡旋光的方法研究

发布时间：2020-10-19 12:23

　　 复合涡旋光不仅拥有涡旋光的所有的特性,而且拥有着自己的特点,比如具有多个相位奇点,更高的轨道角动量(OAM),可以通过增加复合OAM模式的数目,提供任意的OAM量子态,这在量子信息和光通信上提供了各式各样的机会。一个可变的幅值分束器和一个轨道角动量被用来产生叠加的涡旋光,但是传统的方法产生的涡旋光纯度可能较低,而且整个实验系统庞大,复杂。在此,提出一种简易的方法可以同时产生和分离高纯度的涡旋光,并且通过集成设计的结构实现涡旋光的叠加,得到带有可控拓扑荷的复合涡旋光。首先,阐述了涡旋光的概念、特征以及波函数,其中详细分析了轨道角动量与自旋角动量的关系。此外总结了目前最常见的以及最新发现的方法,例如:螺旋相位板,计算全息-空间光调制器,q-板,回音壁模式谐振腔,超材料与超表面等。其次,闪耀光栅的全息板(HPBG)结构的加工系统,飞秒激光直写加工HPBG结构的流程以及加工的HPBG结构的衍射效率和传输效率被系统的研究。利用搭建的简单的检测光路,检测HPBG结构的菲涅尔衍射光场的图案,分析产生的涡旋光的多级分布、光强分布以及干涉图案,从而证明了单个HPBG结构可以产生分离高纯度的,带有可控拓扑荷的涡旋光以及涡旋光的相位奇点位置。最后,单个HPBG结构可以产生分离高纯度的涡旋光,通过这一特性,进一步研究了闪耀光栅的光栅周期与离散角的关系。设计了双HPBG结构,包括光栅周期(4.06μm),半径(20μm),HPBG结构间的间距(2μm)以及HPBG结构间的旋转方向(一个逆时针旋转60°,另外一个逆时针旋转120°)。通过设计的双HPBG结构实现了涡旋光在结构外固定位置叠加,而没有背景光。分析叠加后的光场图案,得出了复合涡旋光的拓扑荷等于两个涡旋光所带的拓扑荷之和,并且与衍射级方向有关。同理,复合的OAM态由带有不同拓扑荷的涡旋光所决定,而拓扑荷的改变可以仅仅通过转换带有不同拓扑荷的HPBG结构。为了获得更大的OAM,可以集成两个带有小的拓扑荷的HPBG结构。由此证明了方法是稳健的,它不仅克服了传统OAM叠加需要复杂的实验系统等问题,而且有效的产生了带有可控拓扑荷的复合涡旋光。
【学位单位】：安徽大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN249
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 论文研究背景
        1.1.1 轨道角动量
        1.1.2 相位奇点
        1.1.3 复合涡旋光场
    1.2 课题来源及主要研究内容
第二章 涡旋光的概述及产生方法
    2.1 涡旋光的概述
        2.1.1 电磁场携带角动量
        2.1.2 轨道角动量与自旋角动量
    2.2 产生涡旋光的方法
        2.2.1 螺旋相位板
        2.2.2 计算全息—空间光调制器
        2.2.3 回音壁模式谐振腔
        2.2.4 超材料与超表面
    2.3 本章小结
第三章 利用单个HPBG结构生成高纯度涡旋光
    3.1 HPBG的制备
        3.1.1 双光子聚合原理
        3.1.2 飞秒激光加工系统
        3.1.3 飞秒激光直写加工的工艺流程
    3.2 单个HPBG结构的检测
        3.2.1 HPBG结构的衍射效率和传输效率
        3.2.2 涡旋光的光强分布
        3.2.3 涡旋光的干涉
    3.3 本章小结
第四章 利用双HPBG结构实现涡旋光叠加
    4.1 理论基础
    4.2 双HPBG结构的设计
        4.2.1 光栅周期与离散角的关系
        4.2.2 双HPBG结构的设计
    4.3 涡旋光的叠加
    4.4 本章小结
第五章 总结与展望
    5.1 总结
    5.2 展望
参考文献
致谢
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本文编号：2847191