涡旋光束拓扑电荷数的测量

论文摘要

涡旋光束自发现以来,其传输特性受到了人们的广泛关注。对涡旋光束的研究也具有越来越重要的意义。涡旋光束是具有螺线形相位分布的光束,其表达式中带有相位因子exp(ilθ),光束中的每个光子携带lh的轨道角动量,其中l称为拓扑荷数。涡旋光束在光学微操纵、生物医学、信息传输等领域都有重要的应用价值。因此,涡旋光束具有广泛的应用前景。本论文对涡旋光束的产生、传输特性以及涡旋光束拓扑电荷数的测量方法进行了研究,同时对分数阶涡旋光束进行了重点研究。论文的主要内容为：1、基于全息光学的方法,利用空间光调制器我们在实验中获得了涡旋光束。首先,用数值模拟的方法得到平面波与涡旋光束干涉的计算全息图,并加载到空间光调制器上。然后用扩束后的近平面波照在空间光调制器上,产生了涡旋光束。通过改变计算全息图,就可以产生带有不同拓扑电荷数的涡旋光束。2、分别从理论上和实验上研究了涡旋光束的产生和干涉现象。理论上分析了分数阶和整数阶涡旋光束同球面波以及平面波的干涉情况,并从实验上得出了其干涉图形,且实验结果和理论模拟基本上一致。研究表明,随着涡旋光束拓扑荷数的变化,干涉图形也会产生变化。这一现象可用于测定涡旋光束的拓扑荷数。3、研究了涡旋光束经过环形孔径之后的衍射特性。目的是根据获得的衍射图样来测定涡旋光束的拓扑电荷数。我们从理论和实验上研究了涡旋光束经过环形孔径的衍射情况,得出结果是可以通过实验实现。本文不仅考虑了整数阶涡旋光束还研究了分数阶涡旋光束的衍射光强图,并讨论了拓扑电荷数的改变对衍射图样的影响,因此可以较全面的测定涡旋光束的拓扑电荷数。4、根据先前通过单环孔径的整数阶涡旋光束拓扑电荷数的测量工作,本文中我们分别从理论上和实验上研究了整数阶和分数阶涡旋光束通过单环孔径以及双环孔径后的干涉图形。研究表明干涉图形不仅和多孔片有关而且和涡旋光束的拓扑电荷数有关。基于这个结果,我们可以测量整数阶和分数阶涡旋光束的拓扑电荷数。5、本文提出一种新式的角向分布狭缝,并分别从理论和实验上研究了涡旋光束通过这种角向分布狭缝后的干涉特性。理论上从涡旋光束传输的远场光强表达式得到了干涉图形,然后通过实验得出的实验结果对理论图形进行了验证。研究结果表明,涡旋光束经过角向分布狭缝后的干涉图形将随着狭缝数目N以及涡旋光束的拓扑电荷数l的改变而变化。这一现象有望测量涡旋光束的拓扑电荷数。

论文目录

• 论文摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 引言
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究的动机与目标
• 1.3 学位论文各章节安排
• 第二章 涡旋光束相关的基本理论
• 2.1 涡旋光束的基本理论
• 2.2 涡旋光束的几种产生方法
• 2.2.1 利用计算全息法
• 2.2.2 利用螺线型相位板
• 2.2.3 利用空间光调制器
• 2.3 涡旋光束的应用
• 2.4 涡旋光束的实验光强图
• 第三章 球面波与涡旋光束的干涉
• 3.1 球面波与涡旋光束的干涉理论
• 3.1.1 平面波与涡旋光束的干涉
• 3.1.2 球面波与涡旋光束的干涉
• 3.2 球面波与涡旋光束干涉的实验结果
• 3.2.1 球面波与涡旋光束干涉的实验原理图
• 3.2.2 球面波与涡旋光束干涉的实验干涉图形
• 3.3 本章小结
• 第四章 涡旋光束经过圆环孔径的衍射
• 4.1 涡旋光束经过圆环孔径的衍射理论特性
• 4.2 涡旋光束经过圆环孔径的实验设计
• 4.2.1 涡旋光束经过圆环孔径的实验装置图
• 4.2.2 涡旋光束经过圆环孔径的实验衍射图形
• 4.3 本章小结
• 第五章 涡旋光束通过多孔片的干涉
• 5.1 涡旋光束通过多孔片的理论研究
• 5.1.1 涡旋光束通过单环孔径的干涉特性
• 5.1.2 涡旋光束通过双环孔径的干涉特性
• 5.2 涡旋光束通过多孔片的实验设计
• 5.2.1 涡旋光束通过多孔片的实验装置图
• 5.2.2 涡旋光束通过单环孔径的实验干涉图形
• 5.2.3 涡旋光束通过双环孔径的实验干涉图形
• 5.3 本章小结
• 第六章 角向狭缝的干涉
• 6.1 涡旋光束通过角向狭缝的理论分析
• 6.2 涡旋光束通过角向狭缝的实验设计
• 6.2.1 涡旋光束通过角向狭缝的实验装置图
• 6.2.2 涡旋光束通过角向狭缝的实验干涉图形
• 6.3 本章小结
• 第七章 本文主要结论及创新点
• 参考文献
• 作者研究生期间发表的论文情况