复合涡旋光束轨道角动量的检测

发布时间：2020-06-26 16:57

【摘要】：自由空间光通信是空间信息网络中高速信息传输的重要手段,正面临着频谱利用率低和信道容量不足等问题。理论上,利用涡旋光束作为载体,新增的轨道角动量(orbital angular momentum,OAM)自由度来编码信息,可解决上述问题。光束角向位置的不确定性也有助于提高通信系统的安全性能。此外,涡旋光束也可用于光学微操纵等领域,利用其暗中空环状结构的光强分布特性,形成光学势阱,实现无物理损伤地捕获、平移亚微米粒子;同时,也可作为光学扳手,将OAM传递给微粒,驱动其绕光轴旋转。然而,上述的应用都依赖于涡旋光束特殊的螺旋相位结构和轨道角动量参数,可用拓扑荷数(topological charge,TC)来表示。因此,研究涡旋光束空间分布特性及检测拓扑荷信息是涡旋光束在各领域得以广泛应用的基础和关键,具有重要意义。本文以拉盖尔高斯(Laguerre-Gauss,LG)涡旋光束为例,基于光波的衍射原理,针对单OAM涡旋光束和双OAM复合涡旋光束,研究了检测涡旋光束携带拓扑荷数的方法;复合涡旋光束空间分布特征随子光束复合参数取值的变化特性,及其在自由空间传输时光束中涡旋分布随距离的变化规律。本文的主要工作如下:(1)针对单轨道角动量涡旋光束携带拓扑荷数信息的检测问题,提出利用遮挡部分方位角椭圆型光阑的远场衍射效应新方法。基于夫琅禾费衍射原理,建立遮挡方位角椭圆型光阑的衍射模型,推导并数值模拟了LG光束的衍射光强分布与光束携带拓扑荷数的对应关系。(2)将两个子LG光束共线叠加,形成一种新的复合OAM涡旋光束。分析两子光束的拓扑荷数、束腰比及传输距离对复合涡旋光束的强度和相位分布特征的影响。(3)为研究不同参数下,复合涡旋光束中相位奇点(涡旋)数目及分布特征随传输距离的变化规律。基于涡旋处光强度为零特性,推导出复合光束中涡旋位置满足的条件,分析了束腰、振幅及传输距离等参数对光束中涡旋数目的影响,数值模拟的相位分布与理论结果相符。同时,利用复合涡旋光束与平面波干涉场的光强分布规律,得出光束中各涡旋携带的拓扑荷信息。(4)针对复合涡旋光束拓扑荷信息测量的问题,提出了利用其光强分布特征及经遮挡部分方位角椭圆型光阑的衍射图样来检测各子光束携带拓扑荷信息的方法。
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN929.1
【图文】：

光强分布,涡旋,光束,波前

题的研究背景及意义作为一种电磁波，可通过求解其波动方程来分析光束的空间分布及传输特程的光场解存在奇点时，其光波被称为涡旋光束。其中，奇点被称为光涡度为零、相位不唯一的点。旋光束是一种具有连续螺旋状相位波前的特殊光场，且可用 exp(ilφ)项表示殊相位结构，其中φ为空间方位角，l 是拓扑荷数，理论上可取任意值。因、球面波、激光等波束相比，涡旋光束除了具有自旋角动量还携带轨道角决于拓扑荷数，表示为 l ，其中是普朗克常量。涡旋光束的基本属性：旋状波前嵌套组成；光束中心存在一个带拓扑电荷数为 l 的涡旋；光强呈布。

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太原理工大学硕士学位论文第二章涡旋光束理论和轨道角动量的检测方法涡旋光束及轨道角动量的基本原理涡旋光束是指含相位奇点的光波，其光场表达式可写成[56] 0u r , , z u r , , z exp il exp i kz， r , ,z 表示柱坐标系，l 为拓扑荷数，z 是光的传播方向，k 为波数。0u 光场的振幅强度。

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