产生涡旋光束新方法ppt课件.ppt

涡旋光束 LOREMIPSUMDOLOR 1 涡旋光束的定义 在光学领域 当平面波存在螺旋式缺陷时 波前会绕在传播方向上的一条线以螺旋方式旋转 形成螺旋形的波前 这非常类似于流体中的涡旋现象 此类光波被称为涡旋光束 涡旋光束具有螺旋相位结构 即中心存在相位奇点 围绕中心奇点相位连续变化 因此涡旋光束具有角动量 由于特殊的相位结构 光束中心强度为零 由于其中心为暗核心 又称为空心光束 2 涡旋光束的定义 光波沿着z轴方向传播时 涡旋光场表达式可以表示为 其中u0为光场在z处的振幅分布表达式 l为涡旋的拓扑荷值 它表示相位围绕核心旋转一周将改变2l z为涡旋中心的传播距离 k为波矢 即具有exp il 因子的光场都可以称为涡旋光束 3 涡旋光束的定义 涡旋光束波前分布结构图 4 涡旋光束的类型 01 02 03 拉盖尔 高斯光束 TEM 01光束 高阶贝塞尔光束 5 涡旋光束的类型 拉盖尔 高斯光束 Laguerre gaussianBeam 简称LGB 光场表达式为 由于拉盖尔多项式具有正交归一的性质 因此任何涡旋光束都可以认为是拉盖尔 高斯光束的线性组合 其光场表达式都可以分解成拉盖尔 高斯光束的表达式 6 涡旋光束的类型 TEM 01光束 又称为面包圈 Doughnut 空心光束当拉盖尔 高斯光束光场表达式中p 0 l不等于0时 拉盖尔 高斯光束又称为TEM 01光束 光场表达式为 E0表示光束的实振幅 函数F1 z 和F2 z 分别表示光束在空间和位相的变换 7 涡旋光束的类型 高阶贝塞尔光束 Bessel GaussBeam 简称BGB 研究发现 贝塞尔函数可以描述光束在自由空间的波动方程 特解如下 高阶贝塞尔光束 除零阶 也具有螺旋相位 贝塞尔光束在传播方向上不发散 中心光斑极小 几十微米 8 涡旋光束的产生方法 01 02 计算全息法 螺旋相位板法 腔外涡旋光束整形 03 空间调制器 04 几何模式转换法 9 涡旋光束的产生方法 腔外涡旋光束整形 计算全息法 利用光束干涉产生干涉条纹来制作相应的全息片 优势与不足 可以便捷的产生各种阶数的涡旋光束 适用范围相对广 但是由于这种方法的衍射效率不高所以通常只适合产生比较低阶的涡旋光束 同时全息成像仪器的分辨率也对其有一定影响 10 涡旋光束的产生方法 腔外涡旋光束整形 螺旋相位板法 利用螺旋相位板法产生涡旋光束 优势与不足 转换效率较高 且能对高功率激光光束进行转换 缺点是 一个螺旋相位板理论上只能产生一个阶数的拓扑荷值的涡旋光束 且对加工技术方面要求比较高 但是 螺旋相位板在处理一些需要高功率的激光束或是小型化的仪器时 是其他任何方法都无法替代的 螺旋相位板结构图 理想情况下 相位的变化是平滑连续的 但由于制作工艺的限制 实际应用中使用阶梯型的螺旋相位板 11 涡旋光束的产生方法 腔外涡旋光束整形 空间光调制器 利用空间光调制器来产生光学涡旋 优势与不足 优点是可以根据应用需求比较灵活便捷地控制光束的各个参数 产生出质量较高的涡旋光束 缺点是空间光调制器对通过的光束有能量的限制 不能处理功率高的激光束 12 涡旋光束的产生方法 腔外涡旋光束整形 几何模式转换法 利用空间光调制器来产生光学涡旋 1 利用柱面透镜实现厄米 高斯光束到拉盖尔高斯光束的转换 2 利用圆锥棱镜实现高阶拉盖尔 高斯光束到相应的高阶贝塞尔光束的转换 优势与不足 转换效率很高且形成的光束也很纯 但是对于光学器件的加工制作要求较高 转换的系统结构较复杂 且入射光束是厄米高斯光束 13 涡旋光束的产生方法 腔外涡旋光束整形 螺旋多孔屏 通过螺旋孔屏实现涡旋光束 实验光路简单 且可以产生任意阶数的涡旋光束 能量利用率低 14 高功率涡旋光束的产生方法 01 02 基于棒状放大技术的产生方法 基于受压光纤放大技术的产生方法 腔内涡旋光束整形 03 基于主振荡光功率放大技术的产生方法 04 基于光参量啁啾脉冲放大技术的产生方法 05 06 基于自由电子激光技术 FEL 的产生方法 基于受激拉曼背向散射放大技术的产生方法 07 基于受激布里渊放大技术的产生方法 15 涡旋光束的产生方法 基于棒状放大技术的产生方法 利用棒状放大技术产生高功率涡旋光束 种子光经过相位板产生涡旋光 利用棒状放大技术产生高功率涡旋光束 16 涡旋光束的产生方法 基于受压光纤放大技术的产生方法 利用棒状放大技术产生高功率涡旋光束 通过给光纤施加适当的压力 使光束产生相位差 从而形成环形光束 17 涡旋光束的产生方法 基于主振荡光功率放大技术的产生方法 采用了抽运光限制技术 利用毛细管状光纤产生808nm的环形光束 作为抽运光对掺钕钇铝石榴石晶体进行端面抽运 产生LG光束 经布儒斯特片调整涡旋波前 调整标准具的倾斜角改变波前的涡旋方向 通过空间耦合进人975nm端面抽运的双包层保偏大模场光纤进行进一步放大 18 涡旋光束的产生方法 基于光参量啁啾脉冲放大技术的产生方法 涡旋光束的非共线光参量啁啾脉冲放大技术 OPCPA 目前只进行了仿真模拟 OPCPA的基本结构 种子光束 展宽器 放大器 压缩器 在放大过程中 大的单程增益可减小涡旋光束在传输过程产生的光场畸变 19 涡旋光束的产生方法 基于自由电子激光技术 FEL 的产生方法 实现了高斯光束与OAM模式的有效转换 激光与电子束同时进入螺旋调制器中 使电子产生涡旋能量分布 二者再经电磁调制弯道 使电子的涡旋能量分布转换为涡旋密度分布 在二维调制器中 激光和涡旋调制电子的相互作用可产生具有轨道角动量的涡旋光束 20 涡旋光束的产生方法 基于受激拉曼背向散射放大技术的产生方法 拉曼散射 当一定频率的光入射到某些介质时 一般其频率不等于介质分子的共振跃迁频率 由介质内部原子 分子的振动或者转动所引起的散射 散射光的频率与入射光的频率不同 频移量较大 相应于振动能级差 这种散射称为拉曼散射 21 涡旋光束的产生方法 基于受激拉曼背向散射放大技术的产生方法 在等离子体中进行了受激拉曼背向散射放大技术的仿真模拟 实现了对涡旋光束的放大 以及产生新的涡旋特性的光束 22 涡旋光束的产生方法 基于受激布里渊放大技术的产生方法 23 涡旋光束的产生方法 基于受激布里渊放大技术的产生方法 输出脉冲经过