基于模式转换器实现高阶及分数轨道角动量的探测技术

摘要

近年来，科学家们对涡旋光进行了很多的研究，光学涡旋是一种具有孤立奇异点的螺旋波前结构，它的振幅为零。涡旋光束的一个简单的例子就是一个扭曲的光束携带有轨道角动量(OAM)，这类光束的相位波前可以用exp(ilφ）来表示，说明光束携带的轨道角动量的值为(lh)，l称为光束的拓扑荷数。OAM在很多方面都有比较重要的应用，比如光学扳手、光学镊子和量子信息处理等领域。而探测光束的OAM成为近年来的热点内容，OAM的探测不仅在经典光学领域有很重要的应用，在量子光学领域也展现了诸多诱人的应用前景。因此OAM的探测技术是所有应用的核心。
　　本文以具有OAM的拉盖尔高斯(LG)光束为例，LG光束携带的OAM的值为(lh)，与它相对应的不具有OAM的光束为厄米高斯(HG)光束，它们之间可以运用一个模式转换器来进行转换。早在1993年Beijersbergen等人就创造了模式转换器，之后科学家们也进行了很多的研究，但是运用模式转换器所得到的OAM值比较小。本文在原有模式转换器的基础上，加上一个导轨、三维支架以及一个俯仰角，让它变成一个高效的模式转换器去探测高阶和分数阶OAM。正是由于模式转换器这种良好的鲁棒性，实验中可以探测到的标准LG光束的OAM的值高达l=100。将高阶的LG光束转换为HG光束，它由横向花瓣和纵向花瓣组成的二维晶格，可以根据它们之间的关系:l=n-m和p=min(m，n)推测出高阶LG光束所携带的OAM和径向指数p，高阶OAM光束在粒子操控和量子信息处理方面有更潜在的应用;其次将分数阶的OAM进行转换，运用空间光调制器，通过加载不同的全息图将方位角指数l的值设定为不同的分数，从而产生不同分数阶的OAM光束;最后让这些分数阶的OAM光束通过一个模式转换器，转换为一种类似于HG的光束的二维光学晶格。通过观察所得到的光束会发现它们的演变过程呈现一定的规律:当l变为l+0.5时，转换得到的光束开始挤压，一个新的花瓣出现在左边，直至l变为l+1，增加了一个完整的花瓣。这个结果说明了花瓣的产生是在方位角指数增加0.5的时候。分数阶OAM光束的结构丰富了微粒子的操控和信息编码的需要，通过输入携带可调分数OAM的修正LG光束也可以体现模式转换器的多样性。这种高阶和分数阶涡旋光束的探测有望在经典和量子信息领域中开发新的应用。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的研究背景及意义

1．2 OAM的发展及研究现状

1．2．1 整数阶OAM的发展及研究现状

1．2．2 分数阶OAM的发展及研究现状

1．3 OAM的产生和探测

1．3．1 OAM的产生

1．3．2 OAM的探恻

1．4 本文的主要研究内容和创新点

1．4．1 本文的主要研究内容

1．4．2 本文的创新点

1．5 小结

第二章 探测OAM光束的实验原理

2．1 探测OAM光束的实验原理

2．1．1 模式分解

2．1．2 Gouy相位

2．1．3 模式转换

2．2 探测OAM光束的实验装置

2．3 探测OAM光束的实验器材

2．3．1 He-Ne激光器

2．3．2 空间光调器

2．3．3 模式转换器

2．3．4 光阑

2．3．5 CCD相机

2．4 探测OAM光束的实验内容

2．5 小结

第三章 OAM光束的探测结果

3．1 高阶OAM光束的探测

3．1．1 模拟结果

3．1．2 实验结果

3．1．3 结果分析

3．2 分数阶OAM光束的探测

3．2．1 模拟结果

3．2．2 实验结果

3．2．3 结果分析

3．3 小结

第四章 总结与展望

4．1 总结

4．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的科研成果

致谢