具有轨道角动量的涡旋光束的实验产生与研究

论文摘要

涡旋光束是一种具有相位结构exp（7）il?（8）的特殊光场,其中?为方位角,l为拓扑荷数,该光束波前为螺旋形,且在光束传播方向上的轴向中心光强为零,它是现代奇点光学的一个重要研究分支。涡旋光束的光束结构具有一系列特殊的物理性质,如强度呈环形分布、具有很小的中心暗斑尺寸、无加热效应、无衍射效应等,其中最重要的一个特性是在光束向前传播的过程中,围绕光轴的每个光子携带与螺旋相位结构相关的光子轨道角动量（OAM）量子数l,因此该光束在激光光学、光摄技术、光通信、光学成像技术、信息传递与加密、原子分子光学和冷原子系统中均具有广泛的应用。本文对具有OAM的涡旋光束的产生、检测与聚焦进行了相关的理论与实验研究,主要研究内容如下:（1）涡旋光束OAM的一种新型干涉检测方法:虽然涡旋光束具有螺旋相位结构,但是在强度分布上我们只能观察到其圆环形结构,并不能直接判断涡旋光束的OAM,因此涡旋光束的OAM检测成为了一项重要的必备技术。本文提出了一种在实验上利用光束干涉实现涡旋光束OAM简易检测的新方法。其基本原理是基于反射式相位型空间光调制器（SLM）的不完全调制,实验上在使用SLM产生涡旋光束时,仅仅由调制的涡旋光束和未能完全调制的入射高斯光束即可直接发生同轴干涉,产生完美的花瓣状对称干涉图案,且此干涉花瓣的数量与调制的涡旋光束携带的OAM值一致,所以在检测由空间光调制器产生的涡旋光束的OAM时并不需要另外使用一束参考干涉光。我们实验上分析了具有整数OAM的Bessel-Gaussian光束和高阶多环Laguerre-Gaussian光束的干涉图案,以及具有分数OAM的涡旋光束的干涉图案。此干涉图案结构不仅能反映涡旋光束的OAM的大小和符号,还能反映Laguerre-Gaussian光束的径向因子,以及分数OAM光束的干涉光场模式和螺旋相位结构的演变。此方案光路简单,干涉模式清晰稳定,对称性高。（2）聚焦涡旋光束的实验产生与研究:本文提出了一种通过在SLM上加载由螺旋相位和透镜相位组成的混合相位全息图来产生聚焦涡旋光束（FVB）的新方案。我们研究了FVB在自由传输空间的强度分布,以及入射高斯光束的束腰w0（或透镜的焦距f）与FVB在焦平面处的暗斑尺寸（DSS）之间的关系。然后基于上述的干涉法测量了FVB的OAM,我们研究了干涉图案的特征,包括强度分布,相位结构和相位板结构。此外,我们还分析了FVB的DSS在不同传输距离处与OAM量子数之间的关系。这种聚焦的涡旋激光束可用于引导和聚焦分子束以及形成分子透镜。在上述研究基础上,本文还提出了一种通过将两束聚焦涡旋光束垂直相交,使它们在彼此的焦平面处汇聚,来构建交叉聚焦涡旋光束的方案。实验产生的这种交叉聚焦空心涡旋光束不仅具有非常小的约束体积,还具有OAM,而且约束体积可以通过改变OAM量子数来调节。这种强聚焦的光学势阱可用于冷原子（分子）的偶极囚禁,甚至在进一步的光学势蒸发冷却或者进一步缩小势阱的尺寸实现单个分子的囚禁等方面都有重要应用前景。以上就是本文的主要研究内容,包括涡旋光束的产生、检测和聚焦的相关实验与理论研究。

论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 裴春莹

导师: 尹亚玲

关键词: 涡旋光束,轨道角动量,聚焦涡旋光束,交叉聚焦涡旋光束,空间光调制器

来源: 华东师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 华东师范大学

分类号: O436

总页数: 64

文件大小: 4467K

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