涡旋光束的产生及其传输特性的研究

摘要

涡旋光束是一种具有螺旋型相位波前结构和确定轨道角动量的特殊光束，近些年来，在微粒操控、光子计算、生物医学、光空间通信等领域被广泛的研究应用。高阶贝塞尔-高斯光束是涡旋光束的一种，不仅具有涡旋光束的特殊性质，而且其在一定距离内还是一种无衍射光束，这使得其在微观粒子操控等领域的应用具有特殊的优势。
　　本文对涡旋光束的传输特性进行了一定的仿真研究。首先，对涡旋光束的长距离传输进行了仿真，利用SeeLight仿真平台对由激光器入射螺旋相位板产生的涡旋光束与激光器产生的高斯光束的长距离传输进行了对比，传输情况分为真空和湍流大气两种。
　　其次，对由高斯光束经螺旋相位板-轴棱锥系统产生的高阶贝塞尔-高斯光束进行了研究分析，根据菲涅尔衍射理论对高阶贝塞尔-高斯光束的产生进行了理论推导，通过仿真实验给出了高阶贝塞尔-高斯光束的拓扑荷数测量方法;着重对无衍射距离Zmax内的高阶贝塞尔-高斯光束进行了传输分析，分析内容主要包括不同距离处、不同拓扑荷数、不同轴棱锥锥角情况下光束的传输情况，这对高阶贝塞尔-高斯光束的产生和应用具有一定的指导意义;之后对高阶贝塞尔-高斯光束在传输一定距离处观察面上的能量分布进行了量化分析。
　　最后，对离轴高阶贝塞尔-高斯光束的传输特性进行了分析，激光器发出的高斯光束很难与螺旋相位板及轴棱锥两个光学器件中心对准是产生离轴涡旋光束的原因，文中分别分析了传输距离、拓扑荷数、离轴参量对离轴高阶贝塞尔-高斯光束的影响，由于实验中光束和光学器件非对准情况不可避免，因此对离轴涡旋光束的研究具有重要的现实意义。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景

1．2 涡旋光束的发展历程及研究现状

1．3 研究的主要内容

1．4 论文结构

第二章 涡旋光束相关理论

2．1 菲涅尔衍射公式及菲涅尔衍射积分的T-FFT算法

2．2 涡旋光束的描述

2．3 螺旋相位板法产生涡旋光束理论

2．4 几种常见涡旋光束理论

2．4．1 高阶贝塞尔涡旋光束

2．4．2 拉盖尔-高斯涡旋光束

2．5 涡旋光束拓扑荷数的测量

2．6 本章小结

第三章 利用SeeLight对涡旋光束和高斯光束进行传输对比

3．1 SeeLight仿真平台简介

3．2 涡旋光束和高斯光束在真空中传输对比

3．3 涡旋光束和高斯光束在湍流大气中传输对比

3．4 本章小结

第四章 高阶贝塞尔-高斯光束的特性研究

4．1．1 高阶贝塞尔-高斯光束的产生

4．1．2 高阶贝塞尔-高斯光束拓扑荷数的测量

4．2 高阶贝塞尔-高斯光束的传输分析

4．2．1 不同距离处的传输分析

4．2．2 不同拓扑荷数下的传输分析

4．2．3 不同轴棱锥锥角下的传输分析

4．3 高阶贝塞尔-高斯光束能量分布分析

4．4 本章小结

第五章 离轴高阶贝塞尔-高斯光束的传输特性

5．1 离轴涡旋光束的概念

5．2 离轴高阶贝塞尔-高斯光束传输理论

5．3 离轴高阶贝塞尔-高斯光束的传输仿真

5．3．1 传输距离对离轴涡旋光束的影响

5．3．2 拓扑荷数对离轴涡旋光束的影响

5．3．3 离轴参量对离轴涡旋光束的影响

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果

致谢