【涡旋光束基本理论及特性研究6400字（论文）】

1涡旋光束基本理论及特性研究涡旋光束基本理论及特性研究 11.1涡旋光基本理论 1 11.1.2涡旋光束的角动量特性 21.2涡旋光干涉理论 3 4 4 51.3涡旋光的产生方式 51.3.1螺旋相位板法 5 61.3.3空间光调制器法 61.4涡旋光产生仿真与实验 71.4.1涡旋光产生仿真分析 71.4.2涡旋光的产生实验系统 1.5涡旋光束干涉的仿真与实验 将沿z轴传播的涡旋光束的光场表达式可简化为：2u(r,θ,z)=u₀(r,θ,z)exp(ilθ)exp(-ikz)其中，ε为诱电率(真空中),E为场强，B为磁通量密度。然后，通过角动量对r积分得到电磁场总角动量：3沿z轴光束的角动量值分量J₂为：对式2-13在垂直于传播方向的x-y平面上积分，可以得出角动量与能量的光学涡旋具有正交性、安全性、多维量子纠缠三大特性[45在光学通信领域中通常作为调制信号更好地携带信息，在通过信息解码实现信息传递[46];由于光学涡旋具有轨道角动量，在光学微操控领域应用于光镊47技术，使微粒被限4由式2-15可知，涡旋光束的相位分布情况由螺旋相位因子exp(ilθ)所决定，当拓扑荷数l一定时，旋转角θ则与螺旋相位分布情况对应成一定的比例。经过当A₃=A₄=E₀时，两光干涉复振幅：5其中，I₁与同值异号l₂,则把式2-22与式2-23带入式2-24,得出干涉叠加螺旋相位板是一种螺旋形圆盘状的光学器件，如图2-1所示，当入射平面波6骤繁多，同时制作完成的相位板输出模式固定，生空间光调制器能调制光波振幅、相位的光学器件511。液晶空间光调制器 (LCSLM)最核心的部分为液晶屏幕，对屏幕中的液晶单元施加电压时，其分SLM用于产生各种涡旋光束主要是基于全息法原理的技术基础上，将各种VirtualLabFusion软件是物理光学分析软件，通过一种图形化的交互接口，使用VirtualLabFusion软件中光学工具箱进行光学结构搭建，根据实际所用光束，最后由探测器接收。产生涡旋光的光路连接图如图2-2所示。0Analyzer图2-3拓扑荷数设置对各个元件参数设置完成后，如图2-4可以得到涡旋光产生光路的仿真器件类型及连接顺序图，以及图2-5产生涡旋光的探测器连接图，其中在“sum”处90AutomaticPropagationOperat1图19:图19:LightPathEditor(LightPathDiagram#19°回11T00Tools首▼相应值的涡旋光束，拓扑荷数值1为1~6的相息图如图2-6所示：图2-6涡旋光相息图产生不同拓扑荷数的涡旋光如图2-7所示：由计算机PC1可控制生成的涡旋光的拓扑荷值，通过加载±1~±5拓扑荷数的相息图，可得到不同拓扑荷数l的涡旋光光束。如图2-10所示为CCD输出的1Fig.2-10Vortexspotpatternsofdifferenttopologicalchargenumbersgeneratedbythe分析涡旋光光斑实验图可得到与仿真结果相同的结论，不同1值的涡旋光暗核直径不同，且随着l值绝对值的增大，涡旋光的暗核半径随之增大。(1)仿真系统搭建与结果分析位错元件(空间光调制器)产生涡旋光束，另一束平面波经过线性相移元件，产旋光束与平面波干涉仿真器件连接图如图2-11所示。3Analyzer2通过在单相错位元件加载任意拓扑荷数(charge)的相息图，实现涡平干涉仿真，如图2-12所示，l=1的涡旋光束与平面波经干涉时，在相位奇点出干涉光斑出现一个错位的叉形条纹，分叉数量会随着l值变化而增加。当l为-1时，干涉场的叉形条纹方向与1值为1时相反。即拓扑荷数为l的涡旋光束与平面波的干涉场的错位的叉形条纹有1个分叉，当拓扑荷数为负数时，错位的叉形干涉(2)实验系统搭建与结果分析根据光路图在光学平台上搭建涡旋光与平面波干涉的实验系统，如图2-14涡平干涉实验图如图2-15所示，根据结果可以看出，拓扑荷数I值所对应错位的叉形干涉条纹有1个分叉，当拓扑荷数为负数时，错位的叉形干涉条纹方向(1)仿真系统搭建与结果分析元件“0”为干涉光路的平面波光源，波长为63的距离为30mm;元件“2”为单相位错(空间光调制器)用于产生平面涡旋光，与理想分光镜光轴距离为30mm;元件“3”为球面相移，将平面波转换为球面波并改变其光矢方向，与理想分光镜光轴距离为30mm;元件60Analyzer通过在单相错位元件加载任意拓扑荷数(charge)的相息图，实现不同l值的涡旋光束与球面波干涉仿真结果图，如图2-17所示，涡旋光的拓扑荷数值为1(2)实验系统设计与结果分析基于涡旋光与平面波干涉的光路图上的平面光路如图2-18所示。根据光路图在光学平台上搭建涡旋光与平面波干涉的实验系统，如图2-19如图2-20所示为涡旋光束与球面波干涉的实验图。分析可得实验结果与仿真结果相同，拓扑荷数为l的涡旋光束与球面波干涉后的光斑拥有1个螺旋环状(1)仿真系统搭建与结果分析涡旋光与涡旋光干涉光路如图2-21所示，平面波通过理想分光器分为方向垂直、强度相等的两束平面波，两束平面波分别与两个单相位错元件(空间光调制器)连接，从而产生两束涡旋光束，最后由相机探测器接收两束光在某处的干Analyzer息图，实现两束同值异号的涡旋光束干涉仿真模拟，如图2-22所示为两束涡旋光束干涉仿真结果图，当拓扑荷数值为1与-1的两束涡旋光干涉时，干涉场为两个独立的花瓣光斑；当拓扑荷数值为2与-2的两束涡旋光干涉时，干涉场为四个独立的花瓣光斑；由此发现，两束拓扑荷数值为1与-l的涡旋光束干涉叠加时，干涉场会产生21个独立的花瓣光斑。(2)实验系统搭建与结果分析扩束与偏振系统与涡旋光与平面波干涉实验相同，扩束后的平面波经分光棱镜BS1反射进入由PC1控制的反射式纯相位型产生涡旋光束，通过BS2分为两束涡旋光，一束则经过道威棱镜，产生1值相反的涡旋光束，投射到分光棱镜BS3上