特殊涡旋光束传播特性及光学捕获的研究
发布时间：2022-01-14 15:09
涡旋光束具有螺旋的相位结构,并且携带轨道角动量,因此涡旋光束的传播以及应用一直是结构光场的重要方向。随着近几年人们对光场调控手段的丰富,一些特殊结构的涡旋光束被相继提出。基于这个研究背景,本论文中利用光的传播衍射理论并结合实验手段研究了分数涡旋光束、多匝道分数涡旋光束以及涡旋对光束的传播特性以及在光学捕获中的应用。本文具体章节安排如下:第一章介绍了涡旋光束的研究背景和意义,并分别介绍了整数涡旋光束、分数涡旋光束和特殊涡旋光束的研究发展现状;涡旋光束的实际应用情况以及产生涡旋光束、探测涡旋的方法。同时第一章介绍了本文研究中所用到的理论基础及实验研究方法。第二章推导并计算在实际情况中高斯光束入射至螺旋相位板后产生的整数涡旋光束的传播的表达式。实验上我们利用纯相位型空间光调制器产生该整数涡旋光束,对其在自由空间中的传输特点进行观察并验证了我们的理论计算结果。第三章介绍了分数涡旋光束的涡旋强度和光束传播因子。在傍轴近似下,我们推导出了分数涡旋光束通过任意线性ABCD光学系统输出场的解析表达式。我们通过研究分数涡旋光束焦平面处的光场,发现当且仅当拓扑荷数非常接近偶数时,并在该偶数拓扑荷数的前后,...
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：109 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１－１拉盖尔高斯光束在腰斑处的光强分布图
了对分数涡旋光束轨道角动量的定量测量。同时??他们还将分数涡旋光束分解成本征“模式”和外部“模式”?［ｍａｍｉ］。最近，Ｄｅｎｇ等人利??用由不同整数涡旋组成的二维多焦点阵列精确地测量了分数涡旋光束分数轨道角动量，??测得的轨道角动量平均误差小于〇．〇２５［＿。??⑷（ｂ）?５?ｆ??１?丨?一??ｌ｜（（ｗ２！?－：！?ｒ－Ｊ??？ｉ〇?．５?ｏ?５?＾?ｍ?？?ｉ?ｗ?ｉ?厶??（ｃ）?ｒ?—?￣ｓ?（ｄ）??５?＞？〇?－?￣￣??＇〇－５?拓扑荷数??图１－２?（ａ）拓扑荷数ａ?＝?２．２分数涡旋光束近场光强分布理论图［３２］；?（ｂ）?Ｂｅｒｒｙ计算的关于分??数涡旋光束总涡旋强度与拓扑荷数的变化关系图【３２１；?（ｃ）分数涡旋光束捕获微粒的实验结果??图［９５】；（ｄ）分数涡旋光束的轨道角动量与拓扑荷数的变化关系图ｔ４１］。??分数涡旋光束还存有一些非常独特的传播行为，例如分数涡旋光束存在暗区的缺口，??而不是环形光束。在暗区缺口的位置处存在正负涡旋对［３２１，这些涡旋对在传播过程中有??涡旋的产生和湮灭现象【９５１。近期，分数涡旋光束的拓扑结构的暗区［ｍｉ］，以及Ｔｋａｃｈｅｎｋｏ??等人还尝试产生“完美”分数涡旋光束［｜（）３］等研究让分数涡旋光束又获得人们的大量关??注。同时部分相干的分数涡旋光束及其传播的特性也被Ｚｅｎｇ等人揭示［１％。另外，Ｌｕｏ??等人还研究了带有调制涡旋强度分数涡旋超短脉冲［１（）５］。分数涡旋光束的应用包括徵粒的??捕获［４１］以及分数涡旋光束的相位奇点的演化也用来解释希尔伯特旅馆悖论［３３］。对于分??６??
光场通过这样的相位板后即会获得相位ｅｘｐＧａ＾Ｏ?．??关于使用螺旋相位板产生涡旋光束最早发表的论文是Ｋｈｏｎｉｎａ等人，他们在实验上??实现了利用螺旋相位板产生祸旋光［１５Ｗ。而后，Ｋｒｉｓｔｅｎｓｅｎ，?Ｂｅｉｊｅｒｓｂｅｒｇｅｎ和Ｗｏｅｒｄｍａｎ等??人设计了在微波频率下使用的螺旋相位板ｔ１６ａ＞。不久之后，他们制作了在光频段的相位??板［１６火几年后，制造了用于毫米波波长和自由空间传播的相位板［１６２］。至今，螺旋相位??板已经广泛运用在产生涡旋光束的各种实验中。??傳??图１－３平面波经过螺旋相位板产生涡旋光示意图１１６３】。??１．２．５．２模式转换法??模式转换法最早由Ｂｅｉｊｅｒｓｂｅｒｇｅｎ等人提出，他们利用由两个柱透镜组成的模式转换??器将任意阶的厄米高斯模转换成相对应的拉盖尔高斯模，从而产生涡旋光。使用模式转??换器产生拉盖尔高斯模式是基于以下原理：４５°的模式可以分解为厄米高斯模模式集合，??并且同一组厄米高斯模模式在重新定相后可以组合形成特定的拉盖尔高斯模式。之所以??会发生相移，是因为当每个厄米高斯模式被透镜聚焦时，其模式指数和相对于柱面透镜??的方向的不同导致在经过透镜聚焦后获得不同的Ｇｏｕｙ相移。文献中［１６４］给出了将厄米高??斯模式的组合转换为任何特定拉盖尔高斯模式的一般规定，图１－４?（ａ）显示了一个示例，??其中将三个厄米高斯模式组合为拉盖尔高斯模式。由两个柱面透镜所组成的模式转换器??有两种主要形式：ｔｔ／２转换器和ｔｔ转换器，如图１－４?（ｂ）所示。ｔｔ／２转换器可以将模式指??标为（ｍ，ｎ）且与柱透镜的光轴呈４５°的任何入射厄米高斯模式转换成拉盖尔高斯模，对??应的拉盖尔高
【参考文献】：
期刊论文
[1]Asymmetric Mathieu beams[J]. 白文雄,Brian Estrada-Portillo,Arturo Canales-Benavides,Servando Lopez-Aguayo. Chinese Optics Letters. 2018(12)
[2]Enhancing plasmonic trapping with a perfect radially polarized beam[J]. XIANYOU WANG,YUQUAN ZHANG,YANMENG DAI,CHANGJUN MIN,XIAOCONG YUAN. Photonics Research. 2018(09)
[3]Optical forces of focused femtosecond laser pulses on nonlinear optical Rayleigh particles[J]. LIPING GONG,BING GU,GUANGHAO RUI,YIPING CUI,ZHUQING ZHU,QIWEN ZHAN. Photonics Research. 2018(02)
[4]Advances in communications using optical vortices[J]. Jian Wang. Photonics Research. 2016(05)
[5]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)
[6]Half-plane diffraction of Gaussian beams carrying two vortices of equal charges[J]. 何德,高曾辉,吕百达. Chinese Physics B. 2011(10)
本文编号：3588725
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：109 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１－１拉盖尔高斯光束在腰斑处的光强分布图
了对分数涡旋光束轨道角动量的定量测量。同时??他们还将分数涡旋光束分解成本征“模式”和外部“模式”?［ｍａｍｉ］。最近，Ｄｅｎｇ等人利??用由不同整数涡旋组成的二维多焦点阵列精确地测量了分数涡旋光束分数轨道角动量，??测得的轨道角动量平均误差小于〇．〇２５［＿。??⑷（ｂ）?５?ｆ??１?丨?一??ｌ｜（（ｗ２！?－：！?ｒ－Ｊ??？ｉ〇?．５?ｏ?５?＾?ｍ?？?ｉ?ｗ?ｉ?厶??（ｃ）?ｒ?—?￣ｓ?（ｄ）??５?＞？〇?－?￣￣??＇〇－５?拓扑荷数??图１－２?（ａ）拓扑荷数ａ?＝?２．２分数涡旋光束近场光强分布理论图［３２］；?（ｂ）?Ｂｅｒｒｙ计算的关于分??数涡旋光束总涡旋强度与拓扑荷数的变化关系图【３２１；?（ｃ）分数涡旋光束捕获微粒的实验结果??图［９５】；（ｄ）分数涡旋光束的轨道角动量与拓扑荷数的变化关系图ｔ４１］。??分数涡旋光束还存有一些非常独特的传播行为，例如分数涡旋光束存在暗区的缺口，??而不是环形光束。在暗区缺口的位置处存在正负涡旋对［３２１，这些涡旋对在传播过程中有??涡旋的产生和湮灭现象【９５１。近期，分数涡旋光束的拓扑结构的暗区［ｍｉ］，以及Ｔｋａｃｈｅｎｋｏ??等人还尝试产生“完美”分数涡旋光束［｜（）３］等研究让分数涡旋光束又获得人们的大量关??注。同时部分相干的分数涡旋光束及其传播的特性也被Ｚｅｎｇ等人揭示［１％。另外，Ｌｕｏ??等人还研究了带有调制涡旋强度分数涡旋超短脉冲［１（）５］。分数涡旋光束的应用包括徵粒的??捕获［４１］以及分数涡旋光束的相位奇点的演化也用来解释希尔伯特旅馆悖论［３３］。对于分??６??
光场通过这样的相位板后即会获得相位ｅｘｐＧａ＾Ｏ?．??关于使用螺旋相位板产生涡旋光束最早发表的论文是Ｋｈｏｎｉｎａ等人，他们在实验上??实现了利用螺旋相位板产生祸旋光［１５Ｗ。而后，Ｋｒｉｓｔｅｎｓｅｎ，?Ｂｅｉｊｅｒｓｂｅｒｇｅｎ和Ｗｏｅｒｄｍａｎ等??人设计了在微波频率下使用的螺旋相位板ｔ１６ａ＞。不久之后，他们制作了在光频段的相位??板［１６火几年后，制造了用于毫米波波长和自由空间传播的相位板［１６２］。至今，螺旋相位??板已经广泛运用在产生涡旋光束的各种实验中。??傳??图１－３平面波经过螺旋相位板产生涡旋光示意图１１６３】。??１．２．５．２模式转换法??模式转换法最早由Ｂｅｉｊｅｒｓｂｅｒｇｅｎ等人提出，他们利用由两个柱透镜组成的模式转换??器将任意阶的厄米高斯模转换成相对应的拉盖尔高斯模，从而产生涡旋光。使用模式转??换器产生拉盖尔高斯模式是基于以下原理：４５°的模式可以分解为厄米高斯模模式集合，??并且同一组厄米高斯模模式在重新定相后可以组合形成特定的拉盖尔高斯模式。之所以??会发生相移，是因为当每个厄米高斯模式被透镜聚焦时，其模式指数和相对于柱面透镜??的方向的不同导致在经过透镜聚焦后获得不同的Ｇｏｕｙ相移。文献中［１６４］给出了将厄米高??斯模式的组合转换为任何特定拉盖尔高斯模式的一般规定，图１－４?（ａ）显示了一个示例，??其中将三个厄米高斯模式组合为拉盖尔高斯模式。由两个柱面透镜所组成的模式转换器??有两种主要形式：ｔｔ／２转换器和ｔｔ转换器，如图１－４?（ｂ）所示。ｔｔ／２转换器可以将模式指??标为（ｍ，ｎ）且与柱透镜的光轴呈４５°的任何入射厄米高斯模式转换成拉盖尔高斯模，对??应的拉盖尔高
【参考文献】：
期刊论文
[1]Asymmetric Mathieu beams[J]. 白文雄,Brian Estrada-Portillo,Arturo Canales-Benavides,Servando Lopez-Aguayo. Chinese Optics Letters. 2018(12)
[2]Enhancing plasmonic trapping with a perfect radially polarized beam[J]. XIANYOU WANG,YUQUAN ZHANG,YANMENG DAI,CHANGJUN MIN,XIAOCONG YUAN. Photonics Research. 2018(09)
[3]Optical forces of focused femtosecond laser pulses on nonlinear optical Rayleigh particles[J]. LIPING GONG,BING GU,GUANGHAO RUI,YIPING CUI,ZHUQING ZHU,QIWEN ZHAN. Photonics Research. 2018(02)
[4]Advances in communications using optical vortices[J]. Jian Wang. Photonics Research. 2016(05)
[5]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)
[6]Half-plane diffraction of Gaussian beams carrying two vortices of equal charges[J]. 何德,高曾辉,吕百达. Chinese Physics B. 2011(10)
本文编号：3588725
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/wulilw/3588725.html
