携带轨道角动量光束的非线性频率转换研究

发布时间：2020-08-13 18:38

【摘要】：近年来,对于相位、偏振等具有特殊分布形式结构光束的研究成为国际上的热点之一。1992年Allen等人提出了光束的轨道角动量独立于自旋角动量。携带轨道角动量光束,亦称光学涡旋光束;由于轨道角动量光束的动力学性质和量子性质,具有螺旋形相位波前带来中心相位奇点从而产生中空光强分布的这种旋转光束,其在微粒操控、高容量高速率的大规模光通信、量子信息处理、超分辨显微成像等许多领域具有重要潜在价值与应用,吸引了人们越来越多的关注与研究兴趣。携带轨道角动量的光束可以采取线性的方式,也可以采取非线性的方式进行调控。通过非线性频率转换,一方面可以拓展携带轨道角动量光束的工作波长;另一方面,在频率转换的过程中,基波光携带的轨道角动量会转移至谐波。特别的,对于频率上转换过程,可以在实现短波长激光输出的同时获得高阶轨道角动量。在本文中,我们使用光学超晶格作为非线性晶体,实现了高效的高拓扑荷数涡旋光束的倍频输出。分析、研究了倍频转换特性,重点关注了相位匹配条件和转换效率等。具体包括:1.绪论部分,简单回顾激光技术以及非线性光学的发展,介绍其与光学涡旋光束相关的背景、应用前景、研究意义以及面临的问题与关注的研究话题,携带轨道角动量光束的非线性频率转换方面的文献进展等。2.第二章主要介绍轨道角动量的基本特性,包括光子轨道角动量大小的推导、主要典型的光束加载轨道角动量方法与轨道角动量的检测等;介绍光学涡旋光束中具有代表性的基本光束LG光束的强度分布、波矢变化等性质,为后续进行携带轨道角动量的涡旋光束的非线性频率转换研究展开奠定基础。3.第三章进行高拓扑荷数LG光束倍频特性的研究,采用非线性光学耦合波方程数值求解作为基本研究工具,基于1342nm声光调Q纳秒激光器,利用准相位匹配技术,在周期极化钽酸锂PPLT晶体上,通过一个单通过程实现较高效率较高拓扑荷数的倍频过程;并且发现LG光束倍频的最佳匹配温度漂移现象,进行相关分析解释,非线性过程是一个相位敏感的过程,通过简单的一个倍频过程,就能观察到LG光束倍频时的最佳匹配温度漂移,不论LG光束的径向参数束腰半径w0、径向阶数p带来的额外径向波矢,还是LG光束的角向量子数拓扑荷数l带来的额外角向波矢,都能导致横向波矢分量的产生,从而使纵向波矢改变,为我们在超晶格人工微结构的设计时,修正补偿新引入的相位失配提供帮助,使之动量守恒重新满足相位匹配条件,提高光学非线性转换效率。4.第四章基于非线性光学耦合波方程数值求解作为基本研究工具,进行完美涡旋倍频特性的理论研究,考虑LG光束倍频效率随拓扑荷数的增大而降低,而完美涡旋光束光强最大处距光斑中心半径wr大小不随拓扑荷值l变化,希望通过该特性进行完美涡旋光束的倍频,对比LG光束倍频,得到在某一特定条件下使得大于一定拓扑荷数后,完美涡旋光束的倍频效率将高于LG光束倍频效率的方案。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O437
【图文】：

２．１．３．１螺旋相位板法逡逑产生螺旋波前显而易见的方式就是采取螺旋位相板法。当一束平面波透过如逡逑下图２．２所示具有螺旋阶梯表面带来螺旋相位差ｅｘｐ（／化）的光学元件，光g?就会逡逑成为一束具有螺旋波前的光束，这种衍射相位元件即称为螺旋相位板（Ｓｐｉｒａｌ逡逑Ｐｈａｓｅ邋Ｐｌａｔｅ，邋ＳＰＰ／Ｖｏｒｔｅｘ邋Ｐｈａｓｅ邋Ｐｌａｔｅ，邋ＶＰＰ）。采用螺旋相位板生成具有螺旋波前逡逑光束转换效率高，能够用其生成较高功率０Ｖ光束，这为一种常用的生成０Ｖ光逡逑束较为简便的方法，但同一光束经过同一螺旋相位板只能产生一种单一阶数的逡逑０Ｖ光束，即产生的轨道角动量光束的拓扑荷数和波长是固定不可调控的。逡逑－１４－逡逑

ｉ逡逑ｒ＾ｔｅ，逡逑图２．２平面波产生／＝２的螺旋波前涡旋光束［４Ｄ１逡逑２．１．３．２叉形光栅全息法逡逑叉形光栅可以采用空间光调制器（ＳＬＭ）产生，叉形光栅是一种计算全息图，逡逑即理想光学器件的全息图。产生具有螺旋位相的光束，可采用叉形光栅，亦可采逡逑用螺旋菲涅尔透镜。其既能够改变产生光束的／值，亦能够改变光束的Ｐ值。由逡逑于空间光调制器（ＳＬＭｓ，ｓｐａｔｉａｌ邋ｌｉｇｈｔ邋ｍｏｄｕｌａｔｏｒｓ）已经实现了商业化生产，因而逡逑全息法得到广泛应用。叉形光栅即计算全息，在理论上可以生成任意阶数０Ｖ光逡逑束，但效率较低。空间光调制器最大优势即灵活便捷，但刷新速率较低，受限于逡逑液晶材料的损伤阈值，不能产生太高功率的涡旋光，且不能产生短波紫外波段涡逡逑旋光束。螺旋相位因子ｅｘｐ（－／／＾）能够将一束高斯光转换成／重螺旋相位光

栅全息法逡逑可以采用空间光调制器（ＳＬＭ）产生，叉形光栅是一种件的全息图。产生具有螺旋位相的光束，可采用叉形透镜。其既能够改变产生光束的／值，亦能够改变光器（ＳＬＭｓ，ｓｐａｔｉａｌ邋ｌｉｇｈｔ邋ｍｏｄｕｌａｔｏｒｓ）已经实现了商业泛应用。叉形光栅即计算全息，在理论上可以生成任低。空间光调制器最大优势即灵活便捷，但刷新速率伤阈值，不能产生太高功率的涡旋光，且不能产生短相位因子ｅｘｐ（－／／＾）能够将一束高斯光转换成／重螺旋。事实上，ＴＣ值为／的叉形光栅可由ＴＣ值为／的螺成，如下图２．３（ｂ）所示。叉形光栅生成的一级衍射级

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本文编号：2792370