完美涡旋光束的传输与深聚焦特性研究
发布时间：2020-11-19 22:02
由于涡旋光束携带有轨道角动量,因此在粒子囚禁和操控、量子信息编码等方面都有广泛应用。光束的拓扑荷数决定着涡旋光束的轨道角动量及相关光束特征。因而对涡旋光束拓扑荷数的测量具有重要意义。目前已经提出了多种测量涡旋光束拓扑荷数的方法,其中利用光阑衍射相对简便可行。而光束的深聚焦,也就是光束经高数值孔径透镜的聚焦,它相比于普通聚焦可以生成一个达到亚波长量级的光斑,利用这种特性可以极大的将聚焦成像系统的空间分辨率提高,从而可以克服传统的衍射极限,在光学领域有着重大研究意义。涡旋光束的拓扑荷数在传统的涡旋光束中与中心亮环半径及光束角动量成正比,且决定波分复用及信息编码能力,是涡旋光束研究中的一个重要参数。而完美涡旋光(Perfect optical vortex beam,POV)的优点是可控的拓扑荷数环宽度,半径和环宽度,以及高横向和轴向强度梯度。在玻色-爱因斯坦凝聚、粒子的旋转和操控、光学超分辨成像及量子信息编码等方面拥有重要的研究价值,成为了近年来信息光学领域一个极其重要的研究热点。涡旋光束的传输及深聚焦特性还有待研究。本文内容如下:1.对完美涡旋光束经矩形、矩形环光阑远场衍射进行理论分析。通过改变各个光阑的相关参数及入射光束的拓扑荷数,仿真分析光束通过矩形、矩形环的传输特性。对不同光阑的远场衍射图形进行分析,得到规则图样与拓扑荷数的对应关系,不需提取相位,可以直接得到所测拓扑荷数。2.根据十字形光阑提出双十字及十字阵列光阑,对完美涡旋光束经十字形及多十字形光阑远场衍射进行理论分析。通过改变各个光阑的相关参数及入射光束的拓扑荷数,仿真分析研究光束通过不同十字形光阑的传输特性。对不同光阑的远场衍射图形进行分析,根据衍射图样,得到在检测拓扑荷数的新方法。3.对完美涡旋光束经高数值孔径透镜深聚焦进行公式推导分析。仿真分析完美涡旋光束基于Richards-Wolf衍射理论深聚焦后的强度分布,相位特性,研究对比不同数值孔径下聚焦特性变化并分析。对比分析深聚焦场分别在x轴、y轴、z轴上分量的强度分布及相位特性,分析深聚焦后光束光场在粒子捕获等方面的应用前景。
【学位单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：O43
【部分图文】：
Vortex Beams)为一种光强呈现环形分布且中心光强为状，中心处的相位分布拥有奇异性，且无加热效应和似于流体涡旋的形状，涡旋光束的波阵面的形状也呈的特点。涡旋光束最典型的特点为拥有复杂的相位结涡旋形相位波前，体现在电场表达式中，具有一 m 表示它的拓扑荷数，也是其旋转方位角，说明各个当相位沿光轴旋转 2π大小向前传输时，也就是光束围可知，涡旋光束沿 z 轴传输时的电场表达式如下 u (r,,z)u(r,,z)expimexpikz0 鸀 表示距离 z 处的涡旋光束的电场分布，其中 鸀 鸀 为旋光束在 z 处的电场振幅，m 为拓扑荷数大小，根据涡为正负数。k 为光束的波数，为 k 2 / 。涡旋光束沿如下 ( r , ,z) m kz
图 2-2 涡旋光电场及相位分布。(a)m=1 时的电场强度分布图；(b)m=2 时的电场强度分布图；(c)m=3 时的电场强度分布图；(d)m=1 时的相位分布；(e)m=2 时的相位分布；(f)m=3 时的相位分布2.1 轨道角动量和涡旋光束一个光子，可能会拥有两种动量，线动量和角动量，而角动量又可为两种[73]，自 旋 角 动 量 (spin angular momentum, SAM) 跟 轨 道 角 动 量 (orbital angularmomentum, OAM)。其中光子的 SAM 是本征的，为正负 1。任何光子都具有线动量，其大小与频率有关，频率越高时其越大，而 SAM 与光的圆偏振相关，正负符号取决于偏振方向的不同。OAM 与波阵面相关，不管一个波长中波阵面旋转了多少圈，拓扑电荷只能为整数。其中 OAM 是场的性质，依赖于边界条件。轨道角动量是由能量流（由坡印廷矢量描述）以光轴为中心旋转而生成，它使得电磁波的相位波前呈现螺旋状，因此，携带有轨道角动量的电磁波也被称为涡旋电磁波。把其应用于电磁波中，在普通的电磁波中增加一个旋转相位因子，此时电磁波的
图 2-3 微粒操纵的实验光路原理图[78]、拉盖尔-高斯光束盖尔-高斯(Laguere-Gaussian, LG)光束是柱坐标系下傍轴近似条件亥姆霍兹方程缓变振幅近似下的本征解。该本征解中拥有两个参数 或者 m（可任意整数）与径向指数 p（大于等于 0 的整数），由此来lp 模式。所有的lpLG 模式组成了完整的正交基矢量，各种标量光场全G 模式的线性组合说明出来。高斯光束可以很好的描述基模激光束的束既可以生成拉盖尔-高斯模式，也可以生成厄米特-高斯模式。而实具有螺旋相位波的光束是由共轴的同心圆组成，这与拉盖尔-高斯模 mrLrrurAlplexpi2exp2,20220200 0A 为电场振幅 0112! ppA
【参考文献】
本文编号：2890498
【学位单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：O43
【部分图文】：
Vortex Beams)为一种光强呈现环形分布且中心光强为状，中心处的相位分布拥有奇异性，且无加热效应和似于流体涡旋的形状，涡旋光束的波阵面的形状也呈的特点。涡旋光束最典型的特点为拥有复杂的相位结涡旋形相位波前，体现在电场表达式中，具有一 m 表示它的拓扑荷数，也是其旋转方位角，说明各个当相位沿光轴旋转 2π大小向前传输时，也就是光束围可知，涡旋光束沿 z 轴传输时的电场表达式如下 u (r,,z)u(r,,z)expimexpikz0 鸀 表示距离 z 处的涡旋光束的电场分布，其中 鸀 鸀 为旋光束在 z 处的电场振幅，m 为拓扑荷数大小，根据涡为正负数。k 为光束的波数，为 k 2 / 。涡旋光束沿如下 ( r , ,z) m kz
图 2-2 涡旋光电场及相位分布。(a)m=1 时的电场强度分布图；(b)m=2 时的电场强度分布图；(c)m=3 时的电场强度分布图；(d)m=1 时的相位分布；(e)m=2 时的相位分布；(f)m=3 时的相位分布2.1 轨道角动量和涡旋光束一个光子，可能会拥有两种动量，线动量和角动量，而角动量又可为两种[73]，自 旋 角 动 量 (spin angular momentum, SAM) 跟 轨 道 角 动 量 (orbital angularmomentum, OAM)。其中光子的 SAM 是本征的，为正负 1。任何光子都具有线动量，其大小与频率有关，频率越高时其越大，而 SAM 与光的圆偏振相关，正负符号取决于偏振方向的不同。OAM 与波阵面相关，不管一个波长中波阵面旋转了多少圈，拓扑电荷只能为整数。其中 OAM 是场的性质，依赖于边界条件。轨道角动量是由能量流（由坡印廷矢量描述）以光轴为中心旋转而生成，它使得电磁波的相位波前呈现螺旋状，因此，携带有轨道角动量的电磁波也被称为涡旋电磁波。把其应用于电磁波中，在普通的电磁波中增加一个旋转相位因子，此时电磁波的
图 2-3 微粒操纵的实验光路原理图[78]、拉盖尔-高斯光束盖尔-高斯(Laguere-Gaussian, LG)光束是柱坐标系下傍轴近似条件亥姆霍兹方程缓变振幅近似下的本征解。该本征解中拥有两个参数 或者 m（可任意整数）与径向指数 p（大于等于 0 的整数），由此来lp 模式。所有的lpLG 模式组成了完整的正交基矢量，各种标量光场全G 模式的线性组合说明出来。高斯光束可以很好的描述基模激光束的束既可以生成拉盖尔-高斯模式，也可以生成厄米特-高斯模式。而实具有螺旋相位波的光束是由共轴的同心圆组成，这与拉盖尔-高斯模 mrLrrurAlplexpi2exp2,20220200 0A 为电场振幅 0112! ppA
【参考文献】
相关期刊论文 前2条
1 陈子阳;张国文;饶连周;蒲继雄;;杨氏双缝干涉实验测量涡旋光束的轨道角动量[J];中国激光;2008年07期
2 印建平,刘南春,夏勇,恽旻;空心光束的产生及其在现代光学中的应用[J];物理学进展;2004年03期
相关硕士学位论文 前1条
1 陈志婷;涡旋光束的特性研究[D];燕山大学;2013年
本文编号：2890498
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