摘要：携带轨道角动量的光束,又称为涡旋光,因其新奇的相位分布和物理特性,在光学微操控、超分辨成像、高容量光通信和量子信息技术等领域有重要的应用.涡旋光应用于不同场景需要不同的频率,使用基于准相位匹配原理的光学超晶格作为非线性转换晶体,是获得新频率光源的重要手段.涡旋光与介质的非线性相互作用,不仅要考虑常规的能量守恒和线性动量守恒,还需要关注轨道角动量的守恒问题.本文综述了光学超晶格中涡旋光产生和调控方面的研究进展.通过倍频、和频、三倍频和参量下转换等非线性频率转换过程,可以高效的将涡旋光的工作波长拓展到蓝紫直至中红外波段;通过光学超晶格倒格矢的精密设计,可以灵活调控涡旋光非线性频率转换过程中的轨道角动量转移等.基于非线性全息思想设计非线性光子晶体,可以在频率转换的同时调控光场的波前、相位和振幅等物理参量,从而实现涡旋光束的非线性产生;伴随着超晶格制备技术的突破,调控的维度也从二维拓展至三维.光学超晶格中涡旋光产生和调控的研究,可以加深对轨道角动量这一重要物理守恒量的理解,以及推动相关应用研究的进展.

摘要：为进一步研究光子晶体光纤中涡旋光的传输特性,提出了3种不同结构的涡旋光光子晶体光纤,即三角晶格环形光子晶体光纤(TLPCF)、折射率倒转抛物线式光子晶体光纤(IPGIF)和六重准晶涡旋光光子晶体光纤(SPQCF)。利用矢量有限元分析方法,模拟计算了光纤中各个涡旋光模式的传输特性,研究结果表明:3种涡旋光光子晶体光纤中的模式有效折射率差均大于10-4,支持不同数量的涡旋光传输。其中TLPCF的色散系数最小,SPQCF的色散系数最大,两者在宽波段(1400~1700 nm)内均保持了色散平坦趋势;3种光纤的限制性损耗均小于1×10-7 dB·m-1,能够将光很好地局限在纤芯内部;3种光纤的非线性系数均保持在10-3量级;涡旋光模式稳定传输的距离大于1km。

摘要：为了制备高质量涡旋光,对基于Sagnac干涉仪的涡旋光制备方法进行了理论分析、改进设计和实验验证.介绍了高斯光束叠加和附加相位差π产生的原理,在分析干涉回路对横向剪切量影响的基础上,搭建了基于Sagnac干涉仪的涡旋光制备装置,给出了搭建实验平台的相关注意事项,并利用本方法分别制备出拓扑荷数为+1、-1的涡旋光.涡旋光在不同传播距离下拓扑荷数始终保持为+1或-1.基于光斑可调的改进实验装置可有效提高涡旋光质量.

摘要：为了制备大拓扑荷数涡旋光,对基于螺旋相位板多通的拓扑荷数4重加倍进行了理论分析、仿真模拟和实验验证。根据菲涅耳衍射积分定理,推导了基于螺旋相位板多通的涡旋光拓扑荷数加倍原理。设计了4重加倍装置,建立了相应模型并模拟了拓扑荷数4重加倍后的涡旋光强分布。绘制了相对强度、光束半径随距离变化曲线,得到了加倍过程中半径和强度不会发生突变的结论。最后,使用该装置成功制备了拓扑荷数为4、8、12、16的涡旋光束并对该实验中高阶涡旋光质量较差的原因进行了分析。

摘要：为了实现全光纤化轨道角动量(orbital angular momentum,OAM)模式产生系统,设计了一种基于标准单模光纤和环芯光纤的双芯光纤耦合器结构。基于模式匹配法和相位匹配原理,仿真计算了双芯光纤耦合区中轨道角动量模式光场及相位的变化。结果表明:当单模光纤中的光场耦合到环芯光纤时,会在环芯光纤中激发出多种高阶矢量模式,引起模间串扰和降低产生的轨道角动量模式纯度,同时耦合产生的轨道角动量模式能量会在具有相反拓扑电荷数的同阶模式间震荡。通过调控波导间距,对耦合效应的强弱进行调控,实现了高纯度的一阶轨道角动量模式的产生,最大耦合效率可达99%,模间串扰<−20 dB。

摘要：为探究双涡旋光干涉图样对微测量精度的影响,基于双涡旋光干涉原理,提出一种测量涡旋光自干涉图样的方法。分析了双涡旋光干涉图像的影响因素,设计并搭建了测量双涡旋光剪切干涉图样特性的光学系统。通过采集同一条件下物体移到不同距离后的双涡旋光干涉图像,利用图像相关法计算分析涡旋光相位奇点位置与拓扑荷数对双涡旋光干涉图像的影响,将实验结果与理论值对比发现条纹倾斜角和宽度分别为0°和0.1714 mm时,两相位奇点像素位置分别为(351,251)和(151,251)、拓扑荷数为1的双涡旋光干涉图像测量偏差值最小,即两光束相位奇点位于图像中心且连线方向正交于条纹方向的低拓扑荷数双涡旋光干涉图像更适用于微测量领域。

摘要：衍射和光栅是基础光学课程和光学实验的重要内容,在传统光学技术和前沿科学研究中有重要的作用和应用。文章以分数阶涡旋光为研究对象,利用空间光调制器设计了基于叉形光栅的衍射效应产生分数阶涡旋光的实验,编写了分数阶叉形光栅的计算机程序,实验上产生和观测了分数阶涡旋光,分析了分数阶涡旋光的特点和强度分布。通过本实验,学生进一步加深了对衍射和光栅特性的理解,激发了对光学前沿研究和探索的兴趣,拓展了学生的专业知识,提升了对光学研究和光场调控的创新意识。

摘要：基于基尔霍夫衍射积分理论,分别推导涡旋光斜入射轴棱锥与凸透镜后的衍射光场表达式.提出一种利用轴棱锥检测光束拓扑电荷数信息的简单可行方案,并将此方案与凸透镜聚焦斜入射涡旋光方案进行对比.研究结果表明:应用轴棱锥聚焦斜入射涡旋光检测拓扑电荷数信息的方式无需对检测点进行严格定标,实际检测工作中该方案更具备灵活性,适用性也更为广泛.通过对设计实验进行验证,实验与理论基本吻合.

摘要：提出一种能够同时实现拉盖尔高斯光束倍频和模式转换两种功能的光学超晶格。首先,通过局域相位匹配原理设计得到了实现以上功能所需的超晶格结构函数。不同于常规的多通道周期或啁啾结构,采用局域相位匹配原理得到的是一种具有弯曲畴的超晶格结构,理论上可以减少相差并提高转换效率。其次,讨论了正反两种模式的超晶格结构,两种结构均可以实现非线性模式转换,但正向结构效果更佳。最后,对不同角向指数的拉盖尔高斯光束的模式转换过程进行数值模拟,观察转换得到的厄米高斯光束图像,验证了两种光束模式指数的关系。模拟结果表明,这样设计不仅能够实现不同特殊光束之间的相互转换,而且将倍频和模式转换两种功能集为一体,使得器件更加紧凑。该结构有望推进非线性模式转换器的研究。

摘要：针对不同径向节次拉盖尔-高斯(LG)光束,首先阐述了其物理意义及强度分布规律,分析了高径向节次LG光束在横向偏移入射条件下的旋转多普勒效应(RDE)。其次,根据散射体模型,设计变量控制实验探究了不同径向节次LG光束对横移条件下RDE的影响,实验结果表明:不同径向节次LG光束虽然能够增强横向位移条件下旋转多普勒信号的光强及幅值,有助于转速信息提取,但二者并非线性关系;随着径向节次的增大,频域信号幅值呈现先增大后减小的规律,存在最佳径向节次值,使得信号幅值最大;LG光束的径向节次并不影响转速测量精度。最后,从理论上分析了LG光束的径向节次影响旋转多普勒信号强度的原因。本研究在拓展涡旋光测速应用范围,增加目标转速探测距离及提高准确度方面具有较大的应用潜力。