由于渦旋光束攜帶有軌道角動量,因此在粒子囚禁和操控、量子信息編碼等方面都有廣泛應用。光束的拓撲荷數決定著渦旋光束的軌道角動量及相關光束特征。因而對渦旋光束拓撲荷數的測量具有重要意義。目前已經提出了多種測量渦旋光束拓撲荷數的方法,其中利用光闌衍射相對簡便可行。而光束的深聚焦,也就是光束經高數值孔徑透鏡的聚焦,它相比于普通聚焦可以生成一個達到亞波長量級的光斑,利用這種特性可以極大的將聚焦成像系統(tǒng)的空間分辨率提高,從而可以克服傳統(tǒng)的衍射極限,在光學領域有著重大研究意義。渦旋光束的拓撲荷數在傳統(tǒng)的渦旋光束中與中心亮環(huán)半徑及光束角動量成正比,且決定波分復用及信息編碼能力,是渦旋光束研究中的一個重要參數。而完美渦旋光(Perfect optical vortex beam,POV)的優(yōu)點是可控的拓撲荷數環(huán)寬度,半徑和環(huán)寬度,以及高橫向和軸向強度梯度。在玻色-愛因斯坦凝聚、粒子的旋轉和操控、光學超分辨成像及量子信息編碼等方面擁有重要的研究價值,成為了近年來信息光學領域一個極其重要的研究熱點。渦旋光束的傳輸及深聚焦特性還有待研究。本文內容如下:1.對完美渦旋光束經矩形、矩形環(huán)光闌遠場衍射進行理論分析。通過改變各個光闌的相關參數及入射光束的拓撲荷數,仿真分析光束通過矩形、矩形環(huán)的傳輸特性。對不同光闌的遠場衍射圖形進行分析,得到規(guī)則圖樣與拓撲荷數的對應關系,不需提取相位,可以直接得到所測拓撲荷數。2.根據十字形光闌提出雙十字及十字陣列光闌,對完美渦旋光束經十字形及多十字形光闌遠場衍射進行理論分析。通過改變各個光闌的相關參數及入射光束的拓撲荷數,仿真分析研究光束通過不同十字形光闌的傳輸特性。對不同光闌的遠場衍射圖形進行分析,根據衍射圖樣,得到在檢測拓撲荷數的新方法。3.對完美渦旋光束經高數值孔徑透鏡深聚焦進行公式推導分析。仿真分析完美渦旋光束基于Richards-Wolf衍射理論深聚焦后的強度分布,相位特性,研究對比不同數值孔徑下聚焦特性變化并分析。對比分析深聚焦場分別在x軸、y軸、z軸上分量的強度分布及相位特性,分析深聚焦后光束光場在粒子捕獲等方面的應用前景。
【學位單位】：電子科技大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：O43
【部分圖文】：

Vortex Beams)為一種光強呈現環(huán)形分布且中心光強為狀，中心處的相位分布擁有奇異性，且無加熱效應和似于流體渦旋的形狀，渦旋光束的波陣面的形狀也呈的特點。渦旋光束最典型的特點為擁有復雜的相位結渦旋形相位波前，體現在電場表達式中，具有一 m 表示它的拓撲荷數，也是其旋轉方位角，說明各個當相位沿光軸旋轉 2π大小向前傳輸時，也就是光束圍可知，渦旋光束沿 z 軸傳輸時的電場表達式如下 u (r,,z)u(r,,z)expimexpikz0 鸀 表示距離 z 處的渦旋光束的電場分布，其中 鸀 鸀 為旋光束在 z 處的電場振幅，m 為拓撲荷數大小，根據渦為正負數。k 為光束的波數，為 k 2 / 。渦旋光束沿如下 ( r , ,z) m kz

圖 2-2 渦旋光電場及相位分布。(a)m=1 時的電場強度分布圖；(b)m=2 時的電場強度分布圖；(c)m=3 時的電場強度分布圖；(d)m=1 時的相位分布；(e)m=2 時的相位分布；(f)m=3 時的相位分布2.1 軌道角動量和渦旋光束一個光子，可能會擁有兩種動量，線動量和角動量，而角動量又可為兩種[73]，自 旋 角 動 量 (spin angular momentum, SAM) 跟 軌 道 角 動 量 (orbital angularmomentum, OAM)。其中光子的 SAM 是本征的，為正負 1。任何光子都具有線動量，其大小與頻率有關，頻率越高時其越大，而 SAM 與光的圓偏振相關，正負符號取決于偏振方向的不同。OAM 與波陣面相關，不管一個波長中波陣面旋轉了多少圈，拓撲電荷只能為整數。其中 OAM 是場的性質，依賴于邊界條件。軌道角動量是由能量流（由坡印廷矢量描述）以光軸為中心旋轉而生成，它使得電磁波的相位波前呈現螺旋狀，因此，攜帶有軌道角動量的電磁波也被稱為渦旋電磁波。把其應用于電磁波中，在普通的電磁波中增加一個旋轉相位因子，此時電磁波的

圖 2-3 微粒操縱的實驗光路原理圖[78]、拉蓋爾-高斯光束蓋爾-高斯(Laguere-Gaussian, LG)光束是柱坐標系下傍軸近似條件亥姆霍茲方程緩變振幅近似下的本征解。該本征解中擁有兩個參數 或者 m（可任意整數）與徑向指數 p（大于等于 0 的整數），由此來lp 模式。所有的lpLG 模式組成了完整的正交基矢量，各種標量光場全G 模式的線性組合說明出來。高斯光束可以很好的描述基模激光束的束既可以生成拉蓋爾-高斯模式，也可以生成厄米特-高斯模式。而實具有螺旋相位波的光束是由共軸的同心圓組成，這與拉蓋爾-高斯模 mrLrrurAlplexpi2exp2,20220200 0A 為電場振幅 0112! ppA
【參考文獻】

相關期刊論文 前2條

1 陳子陽;張國文;饒連周;蒲繼雄;;楊氏雙縫干涉實驗測量渦旋光束的軌道角動量[J];中國激光;2008年07期

2 印建平,劉南春,夏勇,惲旻;空心光束的產生及其在現代光學中的應用[J];物理學進展;2004年03期

相關碩士學位論文 前1條

1 陳志婷;渦旋光束的特性研究[D];燕山大學;2013年

本文編號：2890498