矢量涡旋产生及拓扑荷数检测方法研究

发布时间：2020-07-25 09:45

【摘要】：涡旋光是一种具有螺旋型相位结构的光场,是现代奇点光学的一个重要的分支。涡旋光的动力学特性,轨道角动量特性和独特的相位结构在光学成像技术,光镊技术以及光通信领域都具有重要的研究价值。近年来,具有矢量偏振特性的涡旋光束也引起研究者的广泛关注,矢量涡旋光束是一种各向异性偏振光,即光束横截面不同位置上的偏振态是不同的,这些特性在粒子加速,单分子成像和近场光学等领域具有潜在的应用价值。涡旋光束的产生、涡旋信号的传输和拓扑荷数检测是涡旋光束特性研究的热点。本文主要对矢量涡旋光束的产生以及拓扑荷检测方法进行了深入研究,具体内容如下:提出纯相位调制的方法产生偏振可控的矢量涡旋光束以及完美矢量涡旋光束。采用琼斯矩阵描述矢量涡旋光场,提出纯相位调制的方法设计两个纯相位光栅,分别对x方向偏振和y方向偏振单独调制,通过改变初相位差以及拓扑荷数的方法,可以在任意衍射级次上产生偏振态、偏振阶及拓扑荷数可控的矢量涡旋光束。采用锥相位调制的方法产生半径不随拓扑荷数发生变化的高阶完美矢量涡旋。研究了分数阶矢量涡旋的光场能量分布特性。非整数阶拓扑荷数的矢量涡旋光束由于螺旋形相位的不连续性导致环形光斑会出现缺口,其缺口的能量分布与偏振阶数和拓扑荷数均有关系。采用对角矩阵的算法提取矢量涡旋光束的远场衍射的强度矩阵绘制能量分布曲线,分析非整数阶矢量涡旋光束的缺口处的能量变化与偏振阶数p和拓扑荷数l的关系。提出狭缝衍射的方法检测涡旋光束拓扑荷数并对其偏振特性进行研究。提出扇形单缝衍射的方法对涡旋阵列进行检测,通过观察衍射光斑的数量及分布检测涡旋光阵列拓扑荷数及符号;提出动态扇形双缝干涉的方法检测涡旋光束拓扑荷数及偏振阶数并研究了双缝夹角变化量与干涉强度关系,实现了涡旋光的偏振和拓扑荷数的检测。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O436
【图文】：

自旋角动量,偏振相关,电场

题研究的背景和意义人们对光的认识逐渐加深，尤其是激光产生之后，很多科学家逐渐热衷起来。19 世纪，Airy 发现了透镜的聚焦面能形成一，人们开始对这样的奇异光束进行进一步的研究[1]。1973 年，拟之后发现了人们对光束的轻微扰动，可以使这个奇异光环产来，Karman 通过分析进一步解释了这个现象[3]，奇异环的波前传播而产生，传播过程中，光束参数的变化使得错位也随之变环的产生或者消失。Volyar 等人首次使用涡旋光来解释这种现特征是涡旋光的一种空间现象，涡旋光的基本单位具有相位奇除了具有线动量、自旋角动量（Spin orbital angular momentum有 l 的轨道角动量[5]（Orbital angular momentum OAM）。其中 l 扑荷数[6]。轨道角动量完全不同于以前的自旋角动量，大多数表现为光的偏振[7]，如图 1-1 a）所示，没有携带自旋角动量的光，携带自旋角动量的光束表现为左旋或者右旋圆偏振光，如图

相位分布,拓扑,螺旋

图 1-2 不同拓扑荷数螺旋相位分布[6]对轨道角动量研究的深入[8, 9]，轨道角动量在很多领域也都有[10]，离子操纵[11]以及量子信息科学中。由于其独特的等相位角动量的光束可以突破光学衍射极限具有良好的聚焦特性[12][13]，平板印刷[14]，离子捕获[15]以及数据存储[16]等领域都具有此外，具有径向偏振的轨道角动量光束的能量能被更有效的放切割技术中也得到了广泛的应用。光轨道角动量的本征正交性，理论上其无限的叠加模式可以为新的编码维度，其在自由空间光通信与光纤通信中具有扩大通速率的应用价值。对于使用 OAM 光束的空分复用系统（SD的鉴别都是通过拓扑荷数 l 来判断[20]。如图 1-3a）所示，多路系统，每一个信道编码都被附加在不同的 OAM 上，多路复用自由空间传输后被接收器探测并解复用。由于OAM作为一种基何波段的电磁波携带，包括光波和无线电波，因此 OAM 多路在所有频率范围内使用[21]。如图 1-3b）所示，OAM 多路复用

全息图,自由空间通信,光束

图 1-3 使用 OAM 光束的自由空间通信系统[27]a）多路复用的涡旋光通信系统 b）涡旋光束应用于空载传输中还可以应用于全息成像，2017 年，Ruffato 等人用全息图束进行编码[28]，通过使用傅里叶变换的算法，对一个全作和测试。采用高阶螺旋相板的方法将入射光束变成螺旋位奇点的光束。用高分辨率电子束光刻技术在玻璃基板上膜，由于涡旋光束的螺旋相位波前，当入射到全息光栅上的重构，成像质量很好，图片清晰，如图 1-4a）所示。但束入射到全息图上，噪音会很高，无法使图像变得清晰。

【参考文献】