光子轨道角动量操控技术研究

论文摘要

光学涡旋（Optical Vortices）是沿着传播方向具有螺旋状波前的电磁波,涡旋场中的光子不仅携带自旋角动量、而且携带轨道角动量。本文研究光子轨道角动量操控技术,探索产生超短脉冲涡旋光的方法、结合应用实例对涡旋光光束变换、轨道角动量编码等技术进行了理论分析和实验验证,内容包括3个方面:1.提出一种产生“非常规”涡旋光的新方法:空间光调制器法和螺旋相位板法是公认的产生涡旋光的基本方法,这些方法所产生的涡旋光的光强分布呈圆环状。本文在产生涡旋光的常规光路中插入圆形（多边形）相位光阑,使得输出的涡旋光的光强分布呈瓣状、且总瓣数与轨道角动量（拓扑荷数l）具有对应关系（以下将其简称为“非常规”涡旋光）。基于夫琅和费衍射模型,利用二维离散傅立叶变换程序,对光波加载轨道角动量的过程进行数值模拟分析。从理论上证明:空间光调制器同时加载“相位光阑”和“螺旋形相位掩模”,二者所产生的子光束之间的相干叠加效应,是产生“非常规”的瓣状光强分布的物理原因。建立以纯相位型空间光调制器为核心的实验装置,以630纳米氦氖激光器和200飞秒可调谐钛宝石激光器为光源,开展“非常规”和“常规”涡旋光产生方法的对比实验。拓扑荷数l取值132阶的实验结果,与理论计算结果较好吻合。轨道角动量是微观物理量,难以用普通仪器对其进行直接测量。本文基于圆形（及多边形）相位光阑的“相位-振幅变换”功能,开辟了一条观测轨道角动量的新途径—根据瓣状光斑的几何形状直接判读拓扑荷数l的取值。2.研究光束变换和频率转换技术:对两个子光束叠加形成组合光斑的光束变换规律、以及涡旋光通过空间光调制器（及非线性晶体）交换轨道角动量的实验规律进行了综述和分析。以脉宽200飞秒、波长800纳米的钛宝石激光为光源,对I类匹配BBO（β-Ba B2O4偏硼酸钡晶体）产生倍频涡旋光的现象进行了观测和分析。3.对“轨道角动量基”和“角位置基”编码在量子密钥分配系统中的应用、以及涡旋光正交振幅调制技术在自由空间通信系统中的应用进行了仿真分析。本文产生的具有瓣状光强分布的光束,是涡旋光的一种新构形,在微机电系统、原子和微粒操控、光互联、量子通信等领域具有应用前景。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究动机
• 1.2 研究轨道角动量操控技术的意义
• 1.3 国内外研究动态
• 1.3.1 涡旋光产生和轨道角动量操控
• 1.3.2 光束变换、频率转换过程中轨道角动量的变化规律
• 1.3.3 利用轨道角动量传输信息
• 1.4 内容安排
• 第二章 轨道角动量操控的基本理论和实验方法
• 2.1 基本理论
• 2.1.1 涡旋光的概念
• 2.1.2 轨道角动量与自旋角动量的经典电动力学描述
• 2.1.3 轨道角动量的量子描述
• 2.1.4 讨论
• 2.2 光波加载轨道角动量的方法
• 2.2.1 计算机全息法
• 2.2.2 柱面镜法
• 2.2.3 螺旋相位板法
• 2.2.4 空间光调制器法
• 2.2.5 光波导芯片和微纳器件
• 2.3 测量轨道角动量参数
• 2.3.1 双光束干涉法
• 2.3.2 道威（Dove）棱镜法
• 2.3.3 振幅型光阑衍射法
• 2.4 本章小结
• 第三章 基于相位光阑衍射原理产生“非常规”涡旋光
• 3.1 产生常规和“非常规”涡旋光的实验方法
• 3.1.1 实验装置的描述
• 3.1.2 使用振幅型光阑测量常规涡旋光的拓扑荷数
• 3.1.3 使用相位型光阑产生“非常规”涡旋光
• 3.2 光束加载轨道角动量的数值模拟分析
• 3.2.1 产生“非常规”涡旋光的相位光阑衍射模型
• 3.2.2 仿真程序流程图
• 3.2.3 产生常规涡旋光的仿真结果
• 3.2.4 产生“非常规”涡旋光的仿真结果
• 3.3 实验验证
• 3.3.1 产生常规涡旋光的实验结果
• 3.3.2 产生“非常规”涡旋光的实验结果
• 3.4 对瓣状光强分布成因的分析
• 3.4.1 相位型光阑的“相位－振幅变换”效应
• 3.4.2 常规与“非常规”涡旋光的比较
• 3.4.3 相位型光阑产生瓣状光斑的机理
• 3.4.4 产生瓣状光强分布的三种方法的比较
• 3.5 本章小结
• 第四章 光束变换与频率转换
• 4.1 不同拓扑荷数子光束的组合
• 4.1.1 两种相位掩模同心嵌套、产生的涡旋光子束形成组合光斑
• 4.1.2 两相位掩膜独立产生两束常规涡旋光、叠加形成组合光斑
• 4.1.3 两束涡旋光通过相位掩膜交换轨道角动量
• 4.2 参量下转换过程中轨道角动量的变化规律
• 4.2.1 文献报道的纠缠态的轨道角动量观测实验
• 4.2.2 产生量子数很大的纠缠态的研究进展
• 4.3 上转换过程中轨道角动量的变化规律
• 4.3.1 二次谐波产生（SHG）
• 4.3.2 涡旋光上转换过程的实验观察
• 4.4 本章小结
• 第五章 轨道角动量编码及其在信息传输中的应用
• 5.1 自旋角动量和轨道角动量编码
• 5.2 轨道角动量编码在量子密钥分发系统中的应用
• 5.2.1 轨道角动量基
• 5.2.2 角位置基
• 5.2.3 讨论
• 5.3 轨道角动量编码在自由空间通信系统中应用
• 5.3.1 多阶次涡旋光同轴传播――模分复用、波分复用
• 5.3.2 正交振幅调制编码
• 5.3.3 正交振幅调制（QAM）的实验验证
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结
• 6.1 研究内容和主要结论
• 6.2 主要创新点
• 6.3 待开展的工作
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果
• 附录A 轨道角动量与自旋角动量的经典电动力学描述
• 附录B 相位掩膜设计方法（产生利萨如图案调制的涡旋光）
• 附录C 涡旋光叠加理论分析
• 附录D 超短脉冲时间-空间耦合效应分析