构造光束的产生及拓扑荷数测量

发布时间：2020-08-28 21:37

　　构造光束是指具有复杂光强结构或者复杂波前相位结构的特殊光束。根据自由空间下亥母赫兹波动方程的不同解,常见的构造光束分为:光强具有具有多个旁瓣的厄米-高斯光束;具有沿着抛物线轨道传播等特性的自加速艾里光束;以及具有螺旋相位波前和确定轨道角动量的涡旋光束等。其中涡旋光束是最典型的具有复杂相位波前的构造光束,其特点是具有螺旋相位波前、确定的轨道角动量、相位奇点、光强呈环形分布等独特光束特性。由于构造光束的独特性使其广泛应用于非接触光学微操控、生物医学、激光制冷、原子捕获、量子信息、波色-爱因斯坦凝聚态控制等众多领域。涡旋光束作为最典型的构造光束,近年来受到了越来越广泛的关注和研究,主要集中于对其产生方法和其拓扑和数的测量的研究。目前,产生涡旋光束常用的方法主要有几何模式转换法,计算全息法,螺旋相位板法,空间光调制器法等。测量涡旋光束拓扑荷数的常用方法有:涡旋光束-平面波干涉法、涡旋光束与球面波的干涉法、涡旋光束杨氏双缝干涉、涡旋光束-涡旋光束干涉法、马赫曾德干涉法等。本文的主要内容如下:首先,本文对涡旋光束基本理论及研究进展进行了系统总结,详尽阐述涡旋光束独特的光束特性及其复杂的相位特征,对常见的涡旋光束的产生方法和拓扑荷数测量方法进行了归纳,分析了各种方法的原理、应用情况及优缺点。其次,本文提出了利用构造螺旋衍射屏来产生正多边形涡旋光束的方法,从理论上分析了此方法的正确性,并通过matlab仿真研究了不同螺旋衍射屏参数对产生的涡旋光束形状和拓扑荷数的影响。利用这种产生方法不仅装置简单,而且可以灵活地调节螺旋衍射屏结构参数以产生不同形状、不同阶数的涡旋光束。通过该方法构造不同形状的涡旋光光束可以更好的作为光学扳手或者光镊,实现对物质的非接触操控。最后,本文提出了基于多孔衍射屏检测涡旋光束拓扑荷数的方法。其方法是用不同拓扑荷数的涡旋光照射多孔衍射屏,计算其衍射效应,得到与之对应的清晰的光强衍射图样,通过分析衍射图样确定该入射涡旋光束的拓扑荷数。与传统的涡旋光束拓扑荷数测量方法相比,本文提出的多空衍射屏检测涡旋光束拓扑荷数方法不仅装置简单,而且大大提高了涡旋光束拓扑荷数的可测量范围。
【学位单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O43
【部分图文】：

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由于高斯光束的高度聚焦加热效用，容易对生物细镊的早期开始，利用空心光束来俘获物体就已引起了光束可以有效的提高微粒的轴向俘获效率。用空心光可以消除产生散射力的小光束角的光束。与普通高斯特的物理特征：光束呈暗中空结构、微米量级的暗斑角动量传递等。这些特点，使涡旋光束作为光学镊子在传播轴附近的暗中空特点减弱了轴向光散射力，同具有无加热特性，减少了对被捕获粒子的热损耗；其子可以不受粒子折射率的限制，不仅可以囚禁相对高对低折射率的粒子；因此，利用涡旋光作为光镊逐渐用于对生物医学和微光操纵领域。涡旋光作为光镊，的粒子被囚禁在焦平面附近，且使折射率低与周围介方，如图 1-1 所示。

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图 1-2 光镊实验光路图[32]1.3.2 涡旋光束在量子通信领域的应用近年来，人们发现涡旋光束可以作为信息的载体[33-35]，利用涡旋光束在空光通信已成为一个热门研究方向。一直以来，光都作为量子通信系统的信息传输媒介，光的偏振态有两种正交的状态，这两种状态可用来编码量子系统中一个比特信息（水平态代表 0，垂直代表 1）。1992 年 Allen 等人证实了光可以携带轨道角动量，而且光束含螺旋相因子exp(i l )，与只有两个独立状态（自旋向上或自旋向下）的自旋角动量不同轨道角动量具有无数正交态，对应于各个l的整数值。在一些应用中，维度越多系统越优越,因为更高维度的量子体系使得有噪环境下量子密码的安全程度更36]，并且对一些量子协议[37]和量子计算方案[38]也更有益。与只有两个独立状态（旋向上或自旋向下）的自旋角动量不同，轨道角动量具有无数正交态，对应于各个的整数，涡旋光含有多个轨道角动量态，此系统最直接的优势就是可以提供大的“字符”，正交轨道角动量态可提供可观的数据存储增长潜力，因此，利用

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8(c1) (c2) (c3)图 2-1 涡旋光束的原理图(a) 光场分布图;(b)涡旋光束的相位分布图;(c)相位位分布图2.1.2 轨道角动量和涡旋角动量（AM，Angular Momentum）、能量以及线动量都是物理学中基本的守恒量[55,56]。能量守恒源于时间平移的不变性，动量守恒反映了空间的同质性，而角动量守恒产生于空间的各向同性。任意经典体系中，光束的平均周期线性动量 P，角动量密度j可以由电场强度E 和磁场强度B 来计算[40]：0p r （ E B)(2-30j r (E B) r p (2-4

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