多个拉盖尔—高斯光束叠加的光场分布特征

发布时间：2020-08-17 14:13

【摘要】：涡旋光束是一种包含独特相位结构和新颖拓扑特性的特殊光场,在波前相位中含有与方位角相关的连续螺旋状相位因子,奇点处强度为零且呈暗斑分布。由于多个携带轨道角动量(Orbital Angular Momentun,OAM)的涡旋光束叠加产生的复合光场中包含不同取值的拓扑荷数和多样化的相位分布,能够传输多路信号提高通信容量,并具有保密性,使其不仅在微观粒子捕获和操控、光学扳手、光学镊子等方面有着广泛的研究,在通信编码和信息传输处理等方面也有着诱人的前景,因此,对涡旋光束叠加产生的形态及演变规律的探索有着重要的理论和应用价值。在此背景下,本文主要研究了多个涡旋光束叠加的光场分布特征。本文主要工作如下:1、涡旋光束的基础理论。理论推导了光学涡旋中相位梯度、轨道角动量以及单个光子能量,介绍了几种常见的制备特殊螺旋状涡旋光束的方法,分析了拉盖尔-高斯(L aguerre-Gaussian,LG)涡旋光束的相位、光强以及螺旋谱分布特征。2、共轴条件下,多个涡旋光束叠加的理论和仿真分析。推导了两个和三个拉盖尔-高斯光束共轴叠加时外侧奇点的角向解以及相位内外侧扇叶片决定因子,总结了多个涡旋光束共轴叠加传输一定距离后相位和光强分布规律。3、离轴条件下,多个涡旋光束叠加的理论和仿真分析。研究了在不同离轴参量下两个涡旋光束叠加的光场变化情况,对比了三种不同类型的涡旋光束叠加的相位、光强以及干涉结果,得出了离轴参量对光斑的影响。研究结果表明:在共轴条件下,多个涡旋光束叠加会产生复杂的光斑结构,相位和光强分布均存在规律性,利用其分布可检测拓扑荷数;在离轴条件下,多个涡旋光束叠加形成的光斑结构会随着离轴参量的不同发生横向移动,离轴参量越大,横向移动速度越快,但净拓扑荷数不会改变。这不仅对今后研究复杂涡旋结构以及检测涡旋光束有着重要意义,而且在微观粒子捕获和操纵方面具有潜在应用价值。
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O435
【图文】：

示意图,螺旋,相位板,光束

a) l 0(b) l 1(c) l 2(d) l 图 2-1 螺旋相位波前示意图[75]Fig.2-1 Schematic diagram of the helical phase wavefront光束的制备相位板相位分布的涡旋光束制备的最直接方法是使用螺旋相位板。螺旋相件，用于产生螺旋相位光束的螺旋相位板如图 2-2 所示。它是通过光束的光程差，从而引起不同方位角上相位差的改变。根据 l / 2会导致其光学厚度的增加，其中n为玻璃的折射率，为波长，l2 完成的数量。一个平面波以正常入射穿过螺旋相位板，离开螺旋角方向上折射，因此，光线性动量存在一方位分量，该分量沿光束

空间光调制器

2 f 2 图 2-4 /2 和转换器[79]Fig. 2-4 /2 and converters转换的光学效率高得多，仅受到透镜较严格，并且只能实现单一拉盖尔-高一种方法是通过使用空间光调制器，显示器结构如图 2-5 所示，它是一种接线口，可通过计算机上的视频接口过控制施加在其上的电压独立地旋个像素可以传递不同的折射率，液晶行调制处理[80]。

衍射光栅,光束,分叉,螺旋

图 2-7 一种能产生螺旋相位光束的分叉衍射光栅[81]Fig. 2-7 A forked diffraction grating which can produce helically phased beam-高斯光束的基础理论-高斯光束-高斯光束是涡旋光中最典型的一种，针对涡旋光束这一领域，大间域中，LG 光束的光场表达式为[82]： 2 22 2212 22 !/ ( )!2 2( , , ) ( ) ( ) exp( ) ( ) ( ) ( )exp exp 2 1 tan exp( )2( )ll lp pRRp l pr r ru r z Lw z w z w z w zi r zi p l z z ilz z 束参数定义如下[82]： 2 / 202Rz w

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