涡旋光束的高效产生与检测
发布时间：2021-06-22 12:28
涡旋光束又称光学涡旋,是一种具有孤立奇点的光场,即空间偏振奇点或者空间相位奇点,因此强度分布为中空环形分布。按照携带奇点类型的不同,常将其分为偏振涡旋光束和相位涡旋光束。偏振涡旋光束也称为轴对称偏振光束（CVBs）,具有偏振奇点,主要包括角向偏振光和径向偏振光,具有环形电场分布和强纵向聚焦特性,在超分辨成像、等离子激发、单分子光谱、激光加工、粒子加速、光通信、粒子的光学捕获等应用领域有着独特的优势。相位涡旋光束也称为轨道角动量（OAM）光束,具有相位奇点,其相位波前具有螺旋分布的特点,数学表达式中包含螺旋相位项exp（ilθ）,每个光子携带OAM的值为lh（l表示拓扑荷）,且理论上具有无限正交态。以上特性使其在光镊、光学操纵、光学捕获、光学扳手、显微成像、量子信息处理和光通信等领域有着潜在应用。鉴于涡旋光束的广泛应用前景,产生与检测涡旋光束显得很有意义。产生CVBs和OAM光束的方法有很多,可以通过激发柱对称波导的本征模的方式得到,或者利用线偏振的HG01和HG10相干叠加得到。对于CVBs而言,还可以利用亚波长光栅、半波片组、空间光调制器等空间偏振转化器,实现偏振转化。对于OAM光束...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：121 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１?（ａ）－（ｂ）偏振涡旋光束和（ｃ－ｄ）相位涡旋光束的偏振、振幅、相位分布；（ａ）角向偏振??光（ＴＭｍ）；?（ｂ）径向偏振光（ＴＥｔｎ）；?（ｃ）拓扑荷为＋１的相位涡旋光束（ＯＡＭ＋１）；?（ｄ）拓扑荷为??
模光纤不仅支持基模（ＬＰｍ），而且支持一阶模（ＬＰｎ），其中ＬＰｈ模包含径向偏振??（ＴＭＧ１）、角向偏振（ＴＥ〇〇、混合偏振（／／尽厂和模式。一阶矢量模式与标量??模的相互叠加关系为１．１９式（／?＝?１，／？?＝?１）和图１．３所示：??ＴＭ０ｉ?［ＬＰ＾ｅｎ＇ｘ?＋?ＬＰ；；＇ｅ＂ｙ??Ｌｐｅｖｅｎ，ｘ?＿?Ｌｐ＾ｅｎ＇ｙ??ＨＥ＾ｄ?ＬＣ’Ｘ?＋?ＬＣ’ｙ??珥：（１１９）??ＬＰ＂ｅｎ＇ｙ?ＨＥ＾ｅｎ?＋?ＴＭｍ??ＬＰ，Ｔｎ＇ｘ?ＨＥ『，－ＴＭ０ｉ??ＬＰ°ｄｄｌ?ＨＥ０＾?＋ＴＥ０ｌ??ＬＰ｛°ｆｄ＇ｙ＼?｛ＨＥ；＾－ＴＥｏｔ??ＴＭ０ｌ?ＨＥ，’１?ＨＥ２ｌｏＭ?ＴＥ０ｌ??钃圓■！！??ＨＤＢＤ??ｉｐｎ＾ｅｎ，ｖ?ＬＰｎｅｖｅ＂ｘ?ＬＰｎＭｘ??图１．３?—阶标量模式与矢量模式的叠加关系??６??
在ＣＶＢｓ的众多特性中，最受关注的是聚焦特性。偏振光束的强聚焦特性可??以用Ｒｉｃｈａｒｄｓ－Ｗｏｌｆ矢量衍射方法进行数值模拟［３Ｇ－３２］。数学模型如图丨．４（ｂ）所示，??此时入射光束为具有平面波前的ＣＶＢｓ，如图１．４（ａ）所示。??ｅ??ｒ?＾?Ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ?ｌｅｎｓ??—?｜；：——???〇??（ａ）?Ｉ?％）??图１．４?（ａ）入射的ＣＶＢｓ；?（ｂ）?ＣＶＢｓ的聚焦几何模型??光瞳平面处的电场分布在柱对称坐标系下可表示为：??Ａ?｛ｐ，（ｐ）?＝?ｌ０Ｐ（ｐ）［ｃｏｓ（ｐａｅｐ?＋?ｓｍ?（ｐ？ｅ＾＼?（１．２０）??其中／。指的是光瞳处的振幅峰值，表示轴对称光瞳处归一化振幅分布。??归一化矢量为：ｌ＾ｃｏｓ味＋ｓｉｎｑ？ｖ，?＾＾－ｓｉｎ＾＋ｃｏｓｇ。光束通过一个消球差??透镜后由平面波变为球面波，聚焦在焦点上。透镜的折射改变了归一化矢量的偏??Ｒｉｃｈａｒｄｓ－Ｗｏｌｆ衍射积分出发，通过对半径为／的球面波前矢量场进行积分（／■与透??镜的焦距一致），可得到焦点附近的电场分布：??Ｅ｛ｒ，（！），ｚ）?＝?——?ｊｊ＾｛９，（ｐ）ｅ，ｋ＾＇＾ｄＱ．?＝?—｜?ｄ６＾ａ［０，（ｐ）ｅ＇ｌ＇｛ｓ＇＾ｓｉｎｄｄ（ｐ?（１．２１）??ｎ?０?０??其中表示透镜边沿的最大角度
【参考文献】：
期刊论文
[1]Mode selective coupler for optical vortices generation（Invited Paper）[J]. 张晓强,陈瑞山,周勇,明海,王安廷. Chinese Optics Letters. 2017(03)
[2]Self-starting passively mode-locked all fiber laser based on carbon nanotubes with radially polarized emission[J]. Yong Zhou,Jian Lin,Xiaoqiang Zhang,Lixin Xu,Chun Gu,Biao Sun,Anting Wang,Qiwen Zhan. Photonics Research. 2016(06)
[3]Advances in communications using optical vortices[J]. Jian Wang. Photonics Research. 2016(05)
[4]Probing the fractional topological charge of a vortex light beam by using dynamic angular double slits[J]. Jing Zhu,Pei Zhang,Dongzhi Fu,Dongxu Chen,Ruifeng Liu,Yingnan Zhou,Hong Gao,Fuli Li. Photonics Research. 2016(05)
本文编号：3242836
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：121 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１?（ａ）－（ｂ）偏振涡旋光束和（ｃ－ｄ）相位涡旋光束的偏振、振幅、相位分布；（ａ）角向偏振??光（ＴＭｍ）；?（ｂ）径向偏振光（ＴＥｔｎ）；?（ｃ）拓扑荷为＋１的相位涡旋光束（ＯＡＭ＋１）；?（ｄ）拓扑荷为??
模光纤不仅支持基模（ＬＰｍ），而且支持一阶模（ＬＰｎ），其中ＬＰｈ模包含径向偏振??（ＴＭＧ１）、角向偏振（ＴＥ〇〇、混合偏振（／／尽厂和模式。一阶矢量模式与标量??模的相互叠加关系为１．１９式（／?＝?１，／？?＝?１）和图１．３所示：??ＴＭ０ｉ?［ＬＰ＾ｅｎ＇ｘ?＋?ＬＰ；；＇ｅ＂ｙ??Ｌｐｅｖｅｎ，ｘ?＿?Ｌｐ＾ｅｎ＇ｙ??ＨＥ＾ｄ?ＬＣ’Ｘ?＋?ＬＣ’ｙ??珥：（１１９）??ＬＰ＂ｅｎ＇ｙ?ＨＥ＾ｅｎ?＋?ＴＭｍ??ＬＰ，Ｔｎ＇ｘ?ＨＥ『，－ＴＭ０ｉ??ＬＰ°ｄｄｌ?ＨＥ０＾?＋ＴＥ０ｌ??ＬＰ｛°ｆｄ＇ｙ＼?｛ＨＥ；＾－ＴＥｏｔ??ＴＭ０ｌ?ＨＥ，’１?ＨＥ２ｌｏＭ?ＴＥ０ｌ??钃圓■！！??ＨＤＢＤ??ｉｐｎ＾ｅｎ，ｖ?ＬＰｎｅｖｅ＂ｘ?ＬＰｎＭｘ??图１．３?—阶标量模式与矢量模式的叠加关系??６??
在ＣＶＢｓ的众多特性中，最受关注的是聚焦特性。偏振光束的强聚焦特性可??以用Ｒｉｃｈａｒｄｓ－Ｗｏｌｆ矢量衍射方法进行数值模拟［３Ｇ－３２］。数学模型如图丨．４（ｂ）所示，??此时入射光束为具有平面波前的ＣＶＢｓ，如图１．４（ａ）所示。??ｅ??ｒ?＾?Ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ?ｌｅｎｓ??—?｜；：——???〇??（ａ）?Ｉ?％）??图１．４?（ａ）入射的ＣＶＢｓ；?（ｂ）?ＣＶＢｓ的聚焦几何模型??光瞳平面处的电场分布在柱对称坐标系下可表示为：??Ａ?｛ｐ，（ｐ）?＝?ｌ０Ｐ（ｐ）［ｃｏｓ（ｐａｅｐ?＋?ｓｍ?（ｐ？ｅ＾＼?（１．２０）??其中／。指的是光瞳处的振幅峰值，表示轴对称光瞳处归一化振幅分布。??归一化矢量为：ｌ＾ｃｏｓ味＋ｓｉｎｑ？ｖ，?＾＾－ｓｉｎ＾＋ｃｏｓｇ。光束通过一个消球差??透镜后由平面波变为球面波，聚焦在焦点上。透镜的折射改变了归一化矢量的偏??Ｒｉｃｈａｒｄｓ－Ｗｏｌｆ衍射积分出发，通过对半径为／的球面波前矢量场进行积分（／■与透??镜的焦距一致），可得到焦点附近的电场分布：??Ｅ｛ｒ，（！），ｚ）?＝?——?ｊｊ＾｛９，（ｐ）ｅ，ｋ＾＇＾ｄＱ．?＝?—｜?ｄ６＾ａ［０，（ｐ）ｅ＇ｌ＇｛ｓ＇＾ｓｉｎｄｄ（ｐ?（１．２１）??ｎ?０?０??其中表示透镜边沿的最大角度
【参考文献】：
期刊论文
[1]Mode selective coupler for optical vortices generation（Invited Paper）[J]. 张晓强,陈瑞山,周勇,明海,王安廷. Chinese Optics Letters. 2017(03)
[2]Self-starting passively mode-locked all fiber laser based on carbon nanotubes with radially polarized emission[J]. Yong Zhou,Jian Lin,Xiaoqiang Zhang,Lixin Xu,Chun Gu,Biao Sun,Anting Wang,Qiwen Zhan. Photonics Research. 2016(06)
[3]Advances in communications using optical vortices[J]. Jian Wang. Photonics Research. 2016(05)
[4]Probing the fractional topological charge of a vortex light beam by using dynamic angular double slits[J]. Jing Zhu,Pei Zhang,Dongzhi Fu,Dongxu Chen,Ruifeng Liu,Yingnan Zhou,Hong Gao,Fuli Li. Photonics Research. 2016(05)
本文编号：3242836
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