涡旋光束的产生及其传输特性的研究

发布时间：2020-09-09 10:19

　　涡旋光束是一种具有螺旋型相位波前结构和确定轨道角动量的特殊光束,近些年来,在微粒操控、光子计算、生物医学、光空间通信等领域被广泛的研究应用。高阶贝塞尔-高斯光束是涡旋光束的一种,不仅具有涡旋光束的特殊性质,而且其在一定距离内还是一种无衍射光束,这使得其在微观粒子操控等领域的应用具有特殊的优势。本文对涡旋光束的传输特性进行了一定的仿真研究。首先,对涡旋光束的长距离传输进行了仿真,利用SeeLight仿真平台对由激光器入射螺旋相位板产生的涡旋光束与激光器产生的高斯光束的长距离传输进行了对比,传输情况分为真空和湍流大气两种。其次,对由高斯光束经螺旋相位板-轴棱锥系统产生的高阶贝塞尔-高斯光束进行了研究分析,根据菲涅尔衍射理论对高阶贝塞尔-高斯光束的产生进行了理论推导,通过仿真实验给出了高阶贝塞尔-高斯光束的拓扑荷数测量方法;着重对无衍射距离Zmax内的高阶贝塞尔-高斯光束进行了传输分析,分析内容主要包括不同距离处、不同拓扑荷数、不同轴棱锥锥角情况下光束的传输情况,这对高阶贝塞尔-高斯光束的产生和应用具有一定的指导意义;之后对高阶贝塞尔-高斯光束在传输一定距离处观察面上的能量分布进行了量化分析。最后,对离轴高阶贝塞尔-高斯光束的传输特性进行了分析,激光器发出的高斯光束很难与螺旋相位板及轴棱锥两个光学器件中心对准是产生离轴涡旋光束的原因,文中分别分析了传输距离、拓扑荷数、离轴参量对离轴高阶贝塞尔-高斯光束的影响,由于实验中光束和光学器件非对准情况不可避免,因此对离轴涡旋光束的研究具有重要的现实意义。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O436
【部分图文】：

分布情况,波前相位,拓扑,情况

旋光束是具有螺旋相位因子ｅｘｐ（／／０的一类特殊光束，在柱坐标系的涡旋光束的光场表达式可以写为［３８］：逡逑Ｅ［ｐ，０，ｚ）邋＝邋Ｅｏ（＾ｐ，０，ｚ）邋ｅｘｐ逦ｅｘｐ邋｛ｉＷ＾中，描述光束振幅分布情况，Ａ邋＝邋＃为波数，Ａ为光束Ａ逡逑角，／为涡旋光束拓扑荷数。逡逑束的相位因子ｅｘｐ0７０决定了祸旋光场的性质，该光束沿ｚ轴方向布情况可以表示为：逡逑ｉ＾（ｐ，邋６，ｚ）邋＝邋１６邋＋邋ｋｚ旋光束的螺旋相位波前正是由式（２－９）决定的。逡逑扑荷数／影响涡旋光束的波前相位分布情况，不同的拓扑荷数的相２－２－１所示。逡逑＂ｉｇｙ－＇ｆ邋ｉ邋＇邋■．逦？逡逑

示意图,相位板,光束,涡旋

螺旋相位板平面端面入射，光束中心与螺旋相位板中心对齐，出射的光束会被附逡逑加一个螺旋相位因子ｅｘｐ（／／０，从而光束变为涡旋光束。在光束的中心处，出现逡逑相位奇点，各光场干涉相消，光强为零。ＳＰＰ示意图如下图２－３－１所示。逡逑ｎｉ逡逑图２－３－１螺旋相位板不意图逡逑相位板相对于方位角为０处的总厚度七为？．逡逑ｄｅ＝ｄ０＋Ｅ逦（２－１０）逡逑２ｎ逡逑式中名为螺旋相位板的基础厚度，４代表旋转台阶的最大高度值。逡逑８逡逑

示意图,相位板,螺旋,光束

（ａ）邋／＝１逦（ｂ）邋／＝－１逡逑图２－２－２不同拓扑荷的涡旋光束相位螺旋方向示意图逡逑２．３螺旋相位板法产生涡旋光束理论逡逑螺旋相位板（Ｓｐｉｒａｌ邋Ｐｈａｓｅ邋Ｐｌａｔｅ，简称ＳＰＰ），它是一块具有固定折射率的透逡逑明板，其一面是平面结构，相对面具有螺旋形状结构，类似于旋转台阶。螺旋相逡逑位板其厚度随着方位角的变化而变化，理想情况下厚度应是平滑变化的。光束从逡逑螺旋相位板平面端面入射，光束中心与螺旋相位板中心对齐，出射的光束会被附逡逑加一个螺旋相位因子ｅｘｐ（／／０，从而光束变为涡旋光束。在光束的中心处，出现逡逑相位奇点，各光场干涉相消，光强为零。ＳＰＰ示意图如下图２－３－１所示。逡逑ｎｉ逡逑图２－３－１螺旋相位板不意图逡逑相位板相对于方位角为０处的总厚度七为？．逡逑ｄｅ＝ｄ０＋Ｅ逦（２－１０）逡逑２ｎ逡逑式中名为螺旋相位板的基础厚度，４代表旋转台阶的最大高度值。逡逑８逡逑

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