应用于奇点光学的光场操控技术研究

论文摘要

奇点光学被认为是现代光学的一个新分支,研究的对象是具有奇异性的光场。该类光场在传输过程能维持光学奇点的存在,而光学奇点的存在会导致奇点零光强。光学奇点是指光场中物理参数无法被定义的点,因此该点的光强或者振幅必须要等于零,才能使其具有物理存在性。相位奇点是奇点光学中最初研究也是最广泛研究的对象,携带相位奇点的光场一般被称为涡旋光。与沿直线传播的光束不同,涡旋光是指在传播方向上螺旋前进的光,其相位呈现一个螺旋线分布。从光的波动性来看,涡旋光是螺旋前进的,那么中心点处于相位连续变化的位置使得该点的相位具有不确定性,从而导致场振幅必须要消失,导致在光场的中心形成暗场,即零光强。偏振奇点则是与相位奇点相对应的另一种光场奇异性。相位的连续变化导致相位具有不确定性的点称为相位奇点,而因偏振连续变化从而具有偏振不确定性的点则被称为偏振奇点。我们所说的偏振变化,一般指线偏振的连续变化。具有偏振奇点的光束称之为矢量光束。奇点光束由于其独特的光学特性,其重要性不言而喻,在许多领域都具有重要的应用价值。例如,粒子捕获、量子操控、材料加工等,特别是光通讯领域。不同阶的同一类奇点光束之间满足正交性。例如,不同拓扑荷的涡旋光之间、不同偏振拓扑荷的矢量光束之间、不同拓扑荷或不同径向系数的拉盖尔高斯模式之间、不同的阶数的厄米高斯模式之间都是相互正交的。因此,它们都可以作为光通讯中模分复用的载体,是实现下一代高容量光通信系统的重要候选技术。模分复用,顾名思义,是在同一物理信道上以每个光场模式作为一个通道的通信方式。而模分复用中必然少不了:对平面光或者基模激光进行调控,将其变换为相应阶数的奇点光束;对多束相互正交的奇点光束进行调控实现合束,使这些奇点光束能在同一物理信道上传输,即模式复用器;最后,还需要将混合的奇点光束进行调控,使得混合的奇点光束分离为各个单独的光束,方便对各个通道的光场进行下一步操作,即模式解复用。与此同时,超快超强的奇点光束也是研究强场物理过程的重要物理工具。然而,由于超快激光包含丰富的光谱,因此超快超强的奇点光束的产生必须进行精确色散控制。因此针对上述问题,本博士学位论文致力研究应用于奇点光学的光场调控技术,主要做了以下几个方面的研究:1.聚焦于涡旋光束拓扑荷调控,首次提出了基于液晶的阶数可调的涡旋波片系统。这种新颖的涡旋波片系统没有任何机械部件,是一种纯固态的电控系统。通过控制系统的电压配置可实现大范围的阶数调控。在此,我们设计一套具有4个位单元的涡旋波片系统,其阶数可调范围为-1515,可用于产生阶数可调的涡旋光以及矢量光束,并在实验上成功验证了其可行性。2.致力于超快飞秒涡旋脉冲产生放大技术研究。1)研究基于涡旋波片的涡旋超短脉冲产生系统的色散影响。通过建立琼斯矩阵进行理论分析,提出了一种改进超快涡旋光对比度的技术。2)提出了一种新型的超快涡旋光再生放大系统,实验上获得了35 GW脉冲功率的飞秒涡旋光输出。系统通过引入半径可调的圆环泵浦,有效抑制了再生放大腔的基模高斯振荡,并有效地激发低阶拉盖尔高斯模式竞争能力。同时注入与低阶拉盖尔高斯模式相近的光场,通过模式牵引效应实现高功率涡旋脉冲输出。实验上,输出的50.86 fs的超快涡旋脉冲能量达到1.8 m J。3)为产生焦耳量级飞秒涡旋光,我们采用损耗阈值高的石英涡旋波片系统对超强飞秒光系统进行改造,实验上成功获得了2.84J、20fs的飞秒涡旋光脉冲。3.针对涡旋光波前无法通过传统衍射成像技术实现波前恢复的问题,提出了用于恢复涡旋光波前的旋转像散衍射成像技术。该技术采用可旋转的柱透镜进行旋转像散调制,利用相机采集不同像散角度畸变的衍射图样。将这些衍射图案作为约束条件,可实现电场的振幅分布以及相位分布重建。实验上重建分辨率达到14.25 lp/mm,相当于达到了0.6倍的衍射极限。在空间频率<4 mm-1时,相位重建误差为138 mrad,大约λ/45。4.针对矢量光的高效解复用问题,1)首次理论上提出了基于偏振共轭器件的偏振拓扑荷分拣技术。该技术通过采用偏振共轭器件将不同偏振拓扑荷的矢量光束聚焦到不同位置上的方式,实现了偏振拓扑荷分解的功能,分拣效率可以达到78%。2)首次提出一种基于几何相位器件的偏振拓扑荷分拣系统。设计加工了基于光取向技术的几何相位器件,并通过实验验证了系统的可行性,证明了该系统可以将不同偏振拓扑荷的矢量光束聚焦到不同位置上,从而实现偏振拓扑荷分解的功能,实验分拣效率达60%。3)首次提出一种高分离效率的偏振拓扑荷分拣系统,可以将衍射分束引入到基于几何相位器件的偏振拓扑荷分拣系统。我们的实验证明,与没有衍射分束的情况相比,衍射分束方法的应用使得偏振拓扑荷解复用系统的分离效率从58%提高至78%。5.针对利用多衍射相位板进行光场调控问题,对光学衍射神经网络进行了理论研究,从而揭示了三条光学衍射神经网络系统中无法规避的定理。发现如果输出光强在空间上完全分离,则输入光场必定彼此正交。可见,光学衍射网络适合作为两组正交模式之间的模式转换器。对于这种情况,模式之间应该是一对一的连接。在此,我们首次提出采用光学神经网络对正交模式（如涡旋光）进行模式操控,并且给出了针对该类的光学衍射神经网络系统优化设计和算法。在此设计了厄米高斯-拉盖尔高斯模式转换器、拉盖尔高斯-高斯解复用器、以及拉盖尔高斯模式识别器。仿真结果表明,光学衍射神经网络系统在模式转换、模式复用器/分拣器和光模式识别等面向光学正交模态的应用中表现优异,可作为一种自由度极高的光场操控手段。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 奇点光学
•     1.1.1 相位奇点
•     1.1.2 偏振奇点
•     1.1.3 矢量光和涡旋光的关系
•   1.2 应用于奇点光学的光场操控
•     1.2.1 涡旋光的产生技术
•     1.2.2 矢量光的产生技术
•     1.2.3 涡旋光的检测技术
•     1.2.4 矢量光的检测技术
•   1.3 论文的研究内容、安排及创新点
•     1.3.1 论文的研究内容、安排
•     1.3.2 论文的创新点
• 第2章 电控阶数可调的涡旋波片
•   2.1 涡旋波片
•   2.2 电控阶数可调的涡旋波片的原理
•   2.3 实验验证
•     2.3.1 产生偏振拓扑荷可调的矢量光束
•     2.3.2 产生拓扑荷可调的涡旋光束
•   2.4 系统应用展望
•   2.5 小结
• 第3章 超快涡旋光的产生及放大
•   3.1 超快涡旋光
•   3.2 连续相移SPIDER
•     3.2.1 光谱相位干涉电场直接重建
•     3.2.2 连续相移SPIDER原理
•     3.2.3 连续相移SPIDER实验验证
•   3.3 纳焦量级的高对比度超快涡旋光产生
•   3.4 毫焦量级的超快涡旋光再生放大技术
•     3.4.1 啁啾脉冲放大与再生放大器
•     3.4.2 再生腔中的模式牵引
•     3.4.3 实验验证
•   3.5 焦耳量级的超快涡旋光的多通放大
•   3.6 小结
• 第4章 基于旋转像散衍射的波前恢复技术
•   4.1 相干衍射成像与像散衍射方法
•   4.2 系统原理
•   4.3 实验验证
•   4.4 小结
• 第5章 矢量光的偏振拓扑荷分拣系统
•   5.1 矢量光及偏振拓扑荷
•   5.2 拓扑荷分拣与偏振拓扑荷分拣
•   5.3 基于偏振共轭相位器件的偏振拓扑荷分拣
•     5.3.1 偏振共轭相位器件与系统
•     5.3.2 仿真验证
•   5.4 基于几何相位元件的偏振拓扑荷分拣系统
•     5.4.1 几何相位器件及系统
•     5.4.2 实验验证
•   5.5 高分离效率的偏振拓扑荷解复用系统
•     5.5.1 系统原理
•     5.5.2 实验验证
•   5.6 小结
• 第6章 用于光场操控的光学衍射神经网络
•   6.1 光学衍射神经网络和相位衍射板
•   6.2 内在约束及优化
•   6.3 光场操控应用仿真
•   6.4 小结
• 第7章 总结
•   7.1 总结
•   7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间的研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 郑水钦

导师: 范滇元,徐世祥

关键词: 奇点光学,涡旋光,矢量光,涡旋波片,再生放大,波前恢复,分拣系统,相位衍射板,神经网络

来源: 深圳大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 深圳大学

分类号: O43

总页数: 125

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