完美涡旋光束的传输与深聚焦特性研究

论文摘要

由于涡旋光束携带有轨道角动量,因此在粒子囚禁和操控、量子信息编码等方面都有广泛应用。光束的拓扑荷数决定着涡旋光束的轨道角动量及相关光束特征。因而对涡旋光束拓扑荷数的测量具有重要意义。目前已经提出了多种测量涡旋光束拓扑荷数的方法,其中利用光阑衍射相对简便可行。而光束的深聚焦,也就是光束经高数值孔径透镜的聚焦,它相比于普通聚焦可以生成一个达到亚波长量级的光斑,利用这种特性可以极大的将聚焦成像系统的空间分辨率提高,从而可以克服传统的衍射极限,在光学领域有着重大研究意义。涡旋光束的拓扑荷数在传统的涡旋光束中与中心亮环半径及光束角动量成正比,且决定波分复用及信息编码能力,是涡旋光束研究中的一个重要参数。而完美涡旋光（Perfect optical vortex beam,POV）的优点是可控的拓扑荷数环宽度,半径和环宽度,以及高横向和轴向强度梯度。在玻色-爱因斯坦凝聚、粒子的旋转和操控、光学超分辨成像及量子信息编码等方面拥有重要的研究价值,成为了近年来信息光学领域一个极其重要的研究热点。涡旋光束的传输及深聚焦特性还有待研究。本文内容如下:1.对完美涡旋光束经矩形、矩形环光阑远场衍射进行理论分析。通过改变各个光阑的相关参数及入射光束的拓扑荷数,仿真分析光束通过矩形、矩形环的传输特性。对不同光阑的远场衍射图形进行分析,得到规则图样与拓扑荷数的对应关系,不需提取相位,可以直接得到所测拓扑荷数。2.根据十字形光阑提出双十字及十字阵列光阑,对完美涡旋光束经十字形及多十字形光阑远场衍射进行理论分析。通过改变各个光阑的相关参数及入射光束的拓扑荷数,仿真分析研究光束通过不同十字形光阑的传输特性。对不同光阑的远场衍射图形进行分析,根据衍射图样,得到在检测拓扑荷数的新方法。3.对完美涡旋光束经高数值孔径透镜深聚焦进行公式推导分析。仿真分析完美涡旋光束基于Richards-Wolf衍射理论深聚焦后的强度分布,相位特性,研究对比不同数值孔径下聚焦特性变化并分析。对比分析深聚焦场分别在x轴、y轴、z轴上分量的强度分布及相位特性,分析深聚焦后光束光场在粒子捕获等方面的应用前景。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 涡旋光束及完美涡旋光束国内外研究历史与现状
•   1.3 本论文的结构安排
• 第二章 理论基础
•   2.1 轨道角动量和涡旋光束
•   2.2 完美涡旋光束及常见的涡旋光束
•   2.3 激光传输的基本理论和方法
•     2.3.1 基尔霍夫衍射理论
•     2.3.2 矩阵光学方法
•   2.4 深聚焦相关理论
•     2.4.1 Debye近似理论
•     2.4.2 切趾函数
•     2.4.3 深聚焦理论
•   2.5 本章小结
• 第三章 矩形及矩形环光阑衍射传输特性
•   3.1 理论分析
•     3.1.1 完美涡旋光矩形孔光阑衍射特性理论分析
•     3.1.2 完美涡旋光经正方形光阑衍射特性理论分析
•     3.1.3 完美涡旋光矩形环光阑衍射特性
•   3.2 数值模拟及讨论
•     3.2.1 完美涡旋光束矩形光阑衍射特性
•     3.2.2 完美涡旋光矩形环光阑衍射特性
•   3.3 本章小结
• 第四章 十字形光阑衍射传输特性
•   4.1 理论分析
•   4.2 数值模拟及讨论
•     4.2.1 完美涡旋光束十字形光阑衍射特性模拟分析
•     4.2.2 完美涡旋光束多十字形光阑衍射特性模拟分析
•   4.3 本章小结
• 第五章 线偏振完美涡旋光束的深聚焦特性
•   5.1 理论分析
•   5.2 数值模拟及讨论
•   5.3 本章小结
• 第六章 总结和展望
•   6.1 总结
•   6.2 主要创新点
• 致谢
• 参考文献

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 蔡瑾瑶

导师: 杨元杰

关键词: 完美涡旋光束,夫琅禾费衍射,拓扑荷数检测,深聚焦,矢量衍射积分

来源: 电子科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 电子科技大学

分类号: O43

总页数: 76

文件大小: 3178K

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