基于轨道角动量的新型光学高精度测量研究
发布时间：2021-11-10 04:20
近年来,随着工业、医学等领域对高精度测量的需求日益增加,激光测量作为高精度测量的手段之一已成为当下的研究热点。激光测量具有测量精度高、测量速度快、非接触性等优点。总体来说,目前的激光测量技术正朝着更高精度、更快速度以及如何缓解外界环境带来的影响等方向进行研究,但是这些测量中所用的激光大部分都是普通光束,本文则创新性地提出了利用含有轨道角动量（OAM,Orbital Angular Momentum）的涡旋光束（OV,Optical Vortices）来进行测量。首先,本文介绍了OAM和激光测量的国内外研究现状与应用,分析了现阶段激光测量中存在的问题,从而引出了本文的研究主题:基于OAM的新型光学高精度测量。其次,本文对具有OAM特性的涡旋光束进行了研究。先用量子算符的方式推导出了单光子的OAM大小。接着,分别研究了拉盖尔高斯（LG,Laguerre-Gaussian）光束、贝塞尔高斯（BG,Bessel-Gaussian）光束、阵列涡旋光束这三种常见类型的涡旋光束的特性。然后分别介绍了螺旋相位板（SPP,Spiral Phase Plate）法、计算全息（CGH,Computer-Ge...
【文章来源】：东南大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
自旋角动量与轨道角动量的对比
OAM 这一概念是 Allen 在 1992 年首先提出来的。如果一束光的波矢绕着光轴旋转并产生了螺旋相位，那么就可以说这束光具有 OAM，涡旋光束就是这样含有 OAM 的一类光束[2]。涡旋光束的光场中心为一个暗核，并且在传播过程中这个特性将保持不变。与普通光束相比，涡旋光束的最大特征就是它具有如图 2-1 所示的特殊的螺旋相位结构。柱坐标下沿z 轴传播的涡旋光束的光场表达式可简化为：0E ( r , , z ) E ( r , , z )exp( i )exp( ikz)(2.1)其中：0E 表示振幅强度； 指 OAM 的拓扑荷数； 指方位角坐标； 指光束的波长；k 2 / 为波数。涡旋光束的螺旋相位就是和公式中的相位因子exp( i )有关。 是一个整数，可以取正数、负数和零。当 取值为正数时，螺旋相位的旋转方向为顺时针；当 的取值为负数时，螺旋相位的旋转方向为逆时针；当 0时，该光束就是一般的高斯光，其光场中心处的光强最大。与普通光束一样，涡旋光束也存在着光的干涉与衍射等现象。验证一束光是否为涡旋光束具有两大要素：光强分布图应是一个中心为暗斑的环形状；将此光束与一平面波进行同轴干涉，干涉图样应为螺旋状。
nL 。图2-2是通过仿真工具MATLAB 得到的LG光束在 0,1,2和 p 0,1,2九种取值情况下的光场强度分布图。从图中可以看出：光强的分布与 , p的取值有关。当 0, p 0时，光束的中心强度取最大值，是普通的高斯光束；当 0, p 0时，光束的中心是一个暗场，中心强度为零，对应着相位奇点，且随着 取值的增大，环的尺寸也增大；当 0, p 0时，光场强度的分布是一个同心圆环的形状，且p的取值等于外环的个数。图 2- 2 不同 , p取值所对应的 LG 光束光强分布图LG 光束可以被应用到很多领域。目前，它已被用来研究量子纠缠[29]、光镊和光学扳手[30]、为中性原子构建一个新型的光阱[31]、自由空间信息传输[32]、光纤中的模式复用等[33]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Remotely sensing an object’s rotational orientation using the orbital angular momentum of light（Invited Paper）[J]. Giovanni Milione,Ting Wang,韩静,柏连发. Chinese Optics Letters. 2017(03)
[2]拉盖尔-高斯波束在弱湍流海洋中轨道角动量传输特性变化[J]. 程明建,郭立新,张逸新. 电波科学学报. 2016(04)
[3]改进型质心算法在井下人员定位中的应用[J]. 王琰琳,黄友锐,曲立国. 煤矿机械. 2012(08)
[4]基于简化SIFT算法的无人机影像重叠度分析[J]. 邢诚. 哈尔滨工程大学学报. 2012(02)
[5]基于一种SIFT优化算法的图像检索[J]. 吴建波,赵建民,朱信忠,徐慧英. 微型电脑应用. 2011(05)
[6]激光多普勒血流仪评价活体大鼠大脑中动脉栓塞模型成功的可行性分析[J]. 刘宇,孟然,闫峰,罗玉敏,吉训明. 中国病理生理杂志. 2011(03)
[7]SIFT算法的并行实现及应用[J]. 韩龙,郭立,李玉云. 计算机工程与应用. 2010(20)
[8]涡旋光束的轨道角动量的测量[J]. 刘辉,陈子阳,蒲继雄. 华侨大学学报(自然科学版). 2010(02)
[9]采用简化SIFT算法实现快速图像匹配[J]. 刘立,彭复员,赵坤,万亚平. 红外与激光工程. 2008(01)
[10]一种用于无线传感器网络的质心定位算法[J]. 安恂,蒋挺,周正. 计算机工程与应用. 2007(20)
博士论文
[1]LCoS相位空间光调制器的特性及其应用研究[D]. 戴海涛.复旦大学 2005
硕士论文
[1]一种新的双频激光多普勒测速方法研究[D]. 张艳艳.清华大学 2010
[2]基于点特征的图像配准算法研究[D]. 赵辉.山东大学 2006
本文编号：3486561
【文章来源】：东南大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
自旋角动量与轨道角动量的对比
OAM 这一概念是 Allen 在 1992 年首先提出来的。如果一束光的波矢绕着光轴旋转并产生了螺旋相位，那么就可以说这束光具有 OAM，涡旋光束就是这样含有 OAM 的一类光束[2]。涡旋光束的光场中心为一个暗核，并且在传播过程中这个特性将保持不变。与普通光束相比，涡旋光束的最大特征就是它具有如图 2-1 所示的特殊的螺旋相位结构。柱坐标下沿z 轴传播的涡旋光束的光场表达式可简化为：0E ( r , , z ) E ( r , , z )exp( i )exp( ikz)(2.1)其中：0E 表示振幅强度； 指 OAM 的拓扑荷数； 指方位角坐标； 指光束的波长；k 2 / 为波数。涡旋光束的螺旋相位就是和公式中的相位因子exp( i )有关。 是一个整数，可以取正数、负数和零。当 取值为正数时，螺旋相位的旋转方向为顺时针；当 的取值为负数时，螺旋相位的旋转方向为逆时针；当 0时，该光束就是一般的高斯光，其光场中心处的光强最大。与普通光束一样，涡旋光束也存在着光的干涉与衍射等现象。验证一束光是否为涡旋光束具有两大要素：光强分布图应是一个中心为暗斑的环形状；将此光束与一平面波进行同轴干涉，干涉图样应为螺旋状。
nL 。图2-2是通过仿真工具MATLAB 得到的LG光束在 0,1,2和 p 0,1,2九种取值情况下的光场强度分布图。从图中可以看出：光强的分布与 , p的取值有关。当 0, p 0时，光束的中心强度取最大值，是普通的高斯光束；当 0, p 0时，光束的中心是一个暗场，中心强度为零，对应着相位奇点，且随着 取值的增大，环的尺寸也增大；当 0, p 0时，光场强度的分布是一个同心圆环的形状，且p的取值等于外环的个数。图 2- 2 不同 , p取值所对应的 LG 光束光强分布图LG 光束可以被应用到很多领域。目前，它已被用来研究量子纠缠[29]、光镊和光学扳手[30]、为中性原子构建一个新型的光阱[31]、自由空间信息传输[32]、光纤中的模式复用等[33]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Remotely sensing an object’s rotational orientation using the orbital angular momentum of light（Invited Paper）[J]. Giovanni Milione,Ting Wang,韩静,柏连发. Chinese Optics Letters. 2017(03)
[2]拉盖尔-高斯波束在弱湍流海洋中轨道角动量传输特性变化[J]. 程明建,郭立新,张逸新. 电波科学学报. 2016(04)
[3]改进型质心算法在井下人员定位中的应用[J]. 王琰琳,黄友锐,曲立国. 煤矿机械. 2012(08)
[4]基于简化SIFT算法的无人机影像重叠度分析[J]. 邢诚. 哈尔滨工程大学学报. 2012(02)
[5]基于一种SIFT优化算法的图像检索[J]. 吴建波,赵建民,朱信忠,徐慧英. 微型电脑应用. 2011(05)
[6]激光多普勒血流仪评价活体大鼠大脑中动脉栓塞模型成功的可行性分析[J]. 刘宇,孟然,闫峰,罗玉敏,吉训明. 中国病理生理杂志. 2011(03)
[7]SIFT算法的并行实现及应用[J]. 韩龙,郭立,李玉云. 计算机工程与应用. 2010(20)
[8]涡旋光束的轨道角动量的测量[J]. 刘辉,陈子阳,蒲继雄. 华侨大学学报(自然科学版). 2010(02)
[9]采用简化SIFT算法实现快速图像匹配[J]. 刘立,彭复员,赵坤,万亚平. 红外与激光工程. 2008(01)
[10]一种用于无线传感器网络的质心定位算法[J]. 安恂,蒋挺,周正. 计算机工程与应用. 2007(20)
博士论文
[1]LCoS相位空间光调制器的特性及其应用研究[D]. 戴海涛.复旦大学 2005
硕士论文
[1]一种新的双频激光多普勒测速方法研究[D]. 张艳艳.清华大学 2010
[2]基于点特征的图像配准算法研究[D]. 赵辉.山东大学 2006
本文编号：3486561
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