圆柱矢量光束的研究进展
矢量光束的偏振奇点
矢量光束的偏振奇点引言光是一种电磁波，具有波动性和粒子性。
光的波动性表现为它具有振幅、频率和波长等特征，而光的粒子性则表现为光子的存在。
光束是由许多光子组成的，而矢量光束则是具有特定偏振状态的光束。
在矢量光束中，偏振奇点是一种特殊的现象，它在光束中形成局部的相位畸变，具有重要的科学和应用价值。
偏振光的基本概念在介绍偏振奇点之前，我们首先需要了解偏振光的基本概念。
光的偏振是指光波的电场矢量在空间中的振动方向。
光波的电场矢量可以沿着任意方向振动，但在某些情况下，光的振动方向会被限制在特定的方向上，这就是偏振光。
偏振光可以用矢量来描述，矢量的方向表示光的振动方向，矢量的长度表示光的振幅。
通常情况下，光的振动方向可以沿着任意方向，这种光称为非偏振光。
当光的振动方向固定在某一平面上时，我们称之为线偏振光。
线偏振光可以进一步分为水平偏振光和垂直偏振光，它们的振动方向分别沿着水平和垂直方向。
矢量光束的偏振奇点矢量光束的偏振奇点是指在光束中存在的局部相位畸变现象。
这种相位畸变表现为光束中的某些点具有特殊的偏振状态，这些点被称为偏振奇点。
偏振奇点的出现是由于光波的相位在空间中发生了不连续的变化，导致光的振动方向无法被确定。
偏振奇点可以通过观察光束的干涉图样来确定。
当光束通过干涉装置时，如果干涉图样中存在明显的暗纹或亮斑，那么这些暗纹或亮斑所对应的点就是偏振奇点。
偏振奇点的出现会对光束的传播和干涉产生重要影响，因此对偏振奇点的研究具有重要的科学意义和应用价值。
偏振奇点的分类偏振奇点可以根据相位畸变的性质进行分类。
常见的偏振奇点包括奇点环、奇点线和奇点点。
奇点环奇点环是指光束中形成的环状相位畸变。
在奇点环中，光的相位在环状区域内发生了不连续的变化，导致光的振动方向无法被确定。
奇点环通常出现在光束的中心区域，形状可以是圆形、椭圆形或其他形状。
奇点环的形成与光波的波前形状有关。
当光波的波前形状呈现环状时，就会形成奇点环。
光纤耦合器的理论_设计及进展
第30卷第1期 2010年3月物 理 学 进 展PROGRESS IN PH YSICS V ol.30No.1 M ar.2010文章编号:1000-0542(2010)01-0037-44收稿日期:2009-11-18基金项目:国家自然科学基金(10674075,10974100,60577018)、天津市应用基础与前沿技术研究计划重点项目、国家863计划项目(2006A A01Z 217)、光电信息技术科学教育部重点实验室开放基金项目资助*Ema il:zhangw g@nanka 光纤耦合器的理论、设计及进展林锦海,张伟刚(南开大学现代光学研究所,光电信息技术科学教育部重点实验室,天津300071)摘要: 系统总结了光纤耦合器的发展历程,归纳提炼出各个阶段的标志性事件;详细阐述了光纤耦合器的耦合类型、制作方法、性能参数;详细评述了光纤耦合器的理论分析方法;全面分析了X 型、星型、光栅型、混合型等各种典型光纤耦合器的基本结构、工作原理及耦合特性;指出并展望了光纤耦合器的发展方向和应用前景。
作者率先提出并设计了超长周期光纤光栅耦合器,实验上实现了两个超长周期光纤光栅之间的有效耦合。
关键词:光纤光学;光纤耦合器;光纤通信;光纤传感;超长周期光纤光栅中图分类号:T N253;T N929 文献标识码:A0 引言光纤耦合器是一种用于传送和分配光信号的光纤无源器件,是光纤系统中使用最多的光无源器件之一,在光纤通信及光纤传感领域占有举足轻重的地位。
光纤耦合器一般具有以下几个特点:一是器件由光纤构成,属于全光纤型器件;二是光场的分波与合波主要通过模式耦合来实现;三是光信号传输具有方向性。
根据光的耦合原理,人们已经设计出了多种光纤耦合器器结构。
包括:X 型光纤耦合器、星型光纤耦合器、双包层光纤耦合器、光纤光栅耦合器、长周期光纤光栅耦合器、布拉格光纤耦合器、光子晶体光纤耦合器等。
随着各种光纤通信和光纤传感器件的广泛使用,光纤耦合器的地位和作用愈来愈重要,并已成为光纤通信和光纤传感领域不可或缺的一部分。
关于柱面光学透镜在光学成像系统中的运用
关于柱面光学透镜在光学成像系统中的运用作者：朱让甜来源：《中国新技术新产品》2014年第09期摘要：在非球面透镜中柱面镜是最普遍的一种，采用球面系统具有分别描述成像的特点，在一些特殊场合其具有特殊作用。
本文主要分析了柱面光学透镜成像原理，柱面光学透镜反射光线追迹，柱面光学透镜在光学成像系统中的运用。
关键词：柱面光学透镜；光学成像；运用中图分类号：O436 文献标识码：A一、柱面光学透镜成像原理（一）平面镜物体在静止的平面镜中出现的反射，这一结论来自于光学传播的基本定律。
分析虚像原理，可以简单理解为物体对镜平面产生的对称形体。
（二）柱面镜将曲面作为反射面时，入射光线与过曲面形成的成像点法线产生的角便是入射角，是相当于反射光线和同一法线之间产生的反射角，并且在同一平面内产生了入射光线、反射光线和法线，这个平面和过曲面产生的成像点切平面彼此垂直。
但是，在过曲面上由于各点比不是彼此平行的法线方向，例如：柱面法线垂直相交柱轴的很多叉线。
因此，所谓的柱面反射的虚像缺少固定的位置能够寻找，而是随着视点不同位置而出现了差异。
二、柱面光学透镜反射光线追迹将圆柱反射面光线反射作为追迹范例，在圆柱面顶点位置A构建直角右手坐标系，促使AX平行于圆柱面母线，坐标面的子午截面是AXZ。
如此，假如圆柱面设a为曲率半径，与坐标面OYZ平行的任意平面去截圆柱面时，都是在平面AXZ上获得截线，半径是a的圆。
在AXY存在于物面上的点D（X，Y，Z）沿着适量C方向发出一光线，光线在圆柱面上的投射点d1可以通过点d和适量c，促使d成为物面A点到d点的位置向量；圆柱面定A1至投射点a1的位置向量；N则是从A1到垂直于光线的向量，在两表面间线段的光纤通过垂直划分为两部分；分别是从A1向C1产生的辅助向量。
三、柱面光学镜在光学成像系统中的运用（一）单面柱面光学镜在光学系统应用仅在一个方向上柱面镜有曲率，利用柱面反射镜光纤矢量追迹可知，一个截面维度方向对于平行光束来说产生了会聚或者发散功能，但是不会对X轴方向发挥任何作用。
矢量光束
毕业设计（论文）题目：具有分数轨道角动量矢量光束的设计与应用English Title：Design and Application of vector beam withfractional orbital angular momentum学生姓名: 刘晓昌专业: 物理学学号: 08027114指导老师: 周琦二0一二年六月摘要矢量光束中的偏振态在光场时空演化及其与其他物质相互作用中起着非常重要的作用，表现出一些不同于标量光束的新颖特性。
因此，矢量光束的研究有重要的科学价值和应用意义。
近年来矢量光束独一无二的性质以及潜在的应用价值使得越来越多的科研人员对其产生了浓厚的兴趣，特别是偏振态显现出轴对称性的光束（即轴对称矢量光束）以及椭圆对称性的光束（即椭圆矢量光束）。
矢量光束以其独特的发展前景受到广泛的关注。
在本论文中，我们首先介绍了矢量光束的基本概念、产生方法以及应用。
通过激光器的谐振腔外干涉或在激光器谐振腔内插入特殊的元件以及利用空间光调制器能够产生各种构型的矢量光束；在第二章中，我们提出了一种利用振幅型空间光调制和偏振分束器件实现矢量光束的方案，数值计算了产生圆对称径向、角向矢量光束以及椭圆矢量光束的调制光栅构型；在第三章中，我们在矢量瑞利——索末菲衍射理论的基础上，介绍了矢量光束经过高数值孔径物镜聚焦的特性，并初步探讨了矢量光束中光子轨道与自旋角动量，得出椭圆矢量光束光子轨道角动量具有分数值的结论。
最后，我们对所研究的内容进行了总结与展望。
关键字：矢量光束；激光器；空间光调制器；衍射理论；角动量ABSTRACTThe polarization state of the vector beam plays a very important role in the evolution of optical field in temporal and spatial dimensions and the interaction with other matters; dues to some novel features different from the scalar beam are presented. Therefore, the study of vector beam has important scientific value and application significance. In recent years, more and more researchers develop strong interest in the unique nature and potential applications of the vector beams, in particular, the beam with axial symmetry polarization state ( ax symmetric vectoring beam) and elliptical symmetry polarization state (elliptical vector beam). Vector beam has also received widespread attention for its unique development prospects.In this paper, some basic concepts, generation method and foundational application of vector beamed are first introduced in Chap. 1. Vector beams with various constructs of polarization can be generated by the methods of outer cavity interference, the use of special optical element inserted into resonant cavity, spatial light modulator and so on. In Chap. 2, we proposed a novel scheme to implement vector beam by synchronously using spatial light modulator working on amplitude mode and polarization beam splitter. The modulation gratings for generating radial, angular vector beam with circle or elliptic symmetry are numerically calculated. Based on vector Rayleigh Sommerfeld diffraction theory，we introduce propagation characteristics of vector beam focused by a objective lens with high numerical aperture in Chap.3. Some preliminary analyzes and discussions of photonic orbital and spin angular momentum of vector beam are also presented. And we find a fractional orbital angular momentum can be obtained in elliptical vector beam. Some conclusions and prospects are draw in final Chapter.Key words: Vector beam; Laser; Spatial light modulator; Diffraction theory; Angular momentum目录绪论 (1)1.矢量光束及其应用 (2)1.1 矢量光束的概念 (2)1.2 矢量光束产生的方法 (4)1.3 矢量光束的应用 (7)2. 利用空间光调制器和偏振分束器实现任意构型矢量光束方案.. 92.1 空间光调制器与偏振分束器原理 (9)2.2 矢量光束产生方案 (12)2.2.1 圆对称径向矢量光束 (14)2.2.2 圆对称角向矢量光束 (15)2.2.3 椭圆对称矢量光束 (17)2.3 本章小结 (20)3. 矢量光束传播特性 (21)3.1 光束矢量衍射理论原理 (21)3.1.1 傍轴标量理论的不自洽性 (21)3.1.2 角谱分析法 (23)3.1.3 矢量瑞利一索末菲衍射积分公式法 (24)3.2 径向、角向矢量光束聚焦特性 (25)3.2.1 矢量光束聚焦场的数学描述 (26)3.2.2 径向偏振光 (27)3.2.3 角向偏振光 (28)3.3 椭圆矢量光束角动量 (28)3.3.1 椭圆矢量光束的光强分布和偏振分布 (29)3.3.2 椭圆矢量光束的总角动量 (29)3.3.3 椭圆矢量光束的自旋角动量和轨道角动量 (31)总结与展望 (33)致谢 (34)参考文献 (35)绪论光学是研究光的物理性质和物理行为以及光和其他物质相互作用的一门物理学科。
激光磁头和超快磁记录原理及研究进展
激光磁头和超快磁记录原理及研究进展郭子政【摘要】光与磁性物质的相互作用研究最近几年得到突破性进展,建立在飞秒激光技术基础之上的超快磁记录显示出很大的潜力.本文综述了激光诱导的超快磁动力学、全光磁记录技术的基本原理和研究进展情况,重点关注了激光与磁性物质的作用机制,比如三温度模型以及电子、晶格、自旋相互作用的微观理论,并对存在的问题进行了分析和讨论.【期刊名称】《信息记录材料》【年(卷),期】2011(012)004【总页数】7页(P51-57)【关键词】飞秒激光;超快磁动力学;全光磁记录【作者】郭子政【作者单位】华南农业大学理学院应用物理系,广州,510642【正文语种】中文【中图分类】TN2491 引言激光由于其独特的性质而在许多领域取得了重要应用。
激光在磁记录中的应用主要有磁光盘技术和热辅助磁记录技术。
磁光（magneto－optical）材料研究一直是磁性材料领域相当热门的一个分支。
磁光材料与一般磁性材料最大的不同就是它与光的相互作用极为强烈，有相当强的磁光效应，包括法拉第（Faraday）效应、磁光柯尔（Kerr）效应和磁光巴涅特（Barnett）效应。
磁光盘（magneto－optical disk，以下简称MO）是利用磁光材料作为存储介质、通过（激）光和磁场进行数据记录和读出的一种大容量存储器。
激光和磁场分别位于盘片的两面，在数据记录时使用激光和磁场，读取时仅用激光。
磁性物质一般具有磁力随温度上升而降低的特性，MO就利用这一特性进行数据写入。
使磁场消失的温度（居里温度）随MO盘片的组成材料而异，大体上为200～300℃左右。
MO首先利用激光光束照射待写入的区域使其急剧升温，当其温度达到居里点时，用外部磁场（电磁铁）改变其磁化方向，即记录数据，然后中止激光光束让记录膜冷却，形成不受外磁场影响的牢固记录层。
MO在数据读出时仅需激光光束。
MO使用一个磁头来改变硬盘内盘片上的磁性物质磁极来表示0和1。
激光斜向照射圆柱状细丝产生的光环现象
关国业 等
此外，本文还对不同结构、粗糙程度与透明度的多种细丝产生的光环形态进行了探究。
关键词
光环，细丝，锥状光场，反射，衍射
Copyright © 2017 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). /licenses/by/4.0/
ρ 2 sin 2 ϕ ρ ρ cos ϕ +
h − L θ tan
.
(6)
由于本文实验选取的细铜丝半径 R 始终保持在 0.05~1.5 mm 内，而 h, L 始终保持在 10 cm 以上，θ 不超
h 过 45°， 可估算得式(5)等式右边第二项 R 2 比 由于 cos α 取值范围为 [ −1, 1] ， − L 至少小 3 个数量级； tan θ
Open Access
1. 引言
将一根细铜丝垂直于地面放置，当一束激光沿铜丝所在平面斜向下照射铜丝时，可在地面上观察到 一个清晰明亮的光环，如图 1 所示。光环整体呈圆形，与激光源同侧的环面较宽，异侧较窄；并且在异 侧可观察到一个明亮的直射点。当铜丝直径较小时(小于 0.5 mm)，可在光环极亮点附近观察到等间隔分 布的明暗条纹。近年来，激光斜向下照射细丝产生的光环现象受到了广泛关注。例如，赵建林等人对不 同类型细丝在激光斜向照射下产生的光环形态进行了实验探究，并通过理论分析得出光环现象由激光的 反射、衍射以及在材质透明情况下存在的折射共同形成的结论，但没有对可能存在的衍射光环进行实验 测定[1]。朱俊伊、陈晨等人则通过实验探究了光环的形成原因以及与系统参量的依赖关系，但由于在实 验中没有观察到明暗条纹， 故将光环的产生单一地归因于激光反射[2] [3]。 与此相关的问题亦出现在 2015 年第 28 届国际青年物理学家锦标赛(28th International Young Physicists’ Tournament)上[4]。 激光照射丝状物时产生的衍射现象从 20 世纪下半叶便开始被深入研究。J. B. Keller 等人首先利用几 何方法对弯曲细丝的衍射现象进行了理论研究[5] [6]； 后来有更多的研究者对单缝衍射与细丝衍射进行类 比，通过理论与实验对比研究二者的相似性[7] [8] [9]。其中，R. G. Greenler 等人在实验中发现对于直径 大于 6 μm 的金属细丝，将细丝衍射类比为单缝衍射所引起的偏差不超过 5%，而相同情况下把金属丝更 换为透明纤维则会引起不可忽略的偏差[8]。值得注意的是，激光照射细丝发生的光学现象已被应用到多 个领域中，例如丝状物材料参数(包括发丝直径与光滑度等)的测量[9] [10] [11]。 本文通过实验清晰地观察到了光环在极亮点附近的衍射条纹(图 1)， 证明了激光照射细丝后发生的衍 射效应是光环形成的重要组成部分，并结合大角度斜入射的夫琅禾费单缝衍射理论对衍射光环进行了理 论探究。 本文的主要工作如下： 1) 分别对激光照射细铜丝后发生的反射与衍射进行理论分析与实验研究， 发现激光与铜丝作用产生的反射光场与衍射光场皆成圆锥状分布，二者完全重合，从而得出光环是由激 光反射与衍射共同形成的结论；2) 进一步研究了光环形态与铜丝参数(直径、粗糙程度)的关系，以及其 他类型的丝状物所产生光环的不同特征；3) 实验中观察到光环在激光直射点附近存在等间距明暗相间衍 射条纹，本文还对衍射条纹间距进行了讨论，并解释了部分研究者未观察到衍射条纹的原因。
受激发射损耗显微术(STED)的机理及进展研究
受激发射损耗显微术(STED)的机理及进展研究李帅;匡翠方;丁志华;郝翔;顾兆泰;葛剑虹;刘旭【摘要】由于光学元件的衍射效应,常规光学显微术的分辨率被限制在半波长左右,无法满足对于亚百纳米尺度的样品进行探测的需求.受激发射损耗显微术(STED)通过引入一束损耗光以受激发射的方式减小有效荧光的发光面积,可以实现超衍射极限的空间分辨率.自提出以来,STED显微术经过了多方面的改进和发展,已被成功地应用于生物医学、材料学等领域,对样品进行多功能超分辨成像.本文详细阐述了STED的机理及其中的关键技术,综述了STED的发展历程及最新进展,并介绍了其具体应用.%Due to the diffraction of the optical elements,the resolution of conventional optical microscopy has long been limited to about half the illumination wavelength.By introducing a depletion beam to inhibit the potential fluorescence through stimulated emission,STED microscopy is able to achieve a spatial resolution beyond the diffraction limit.Since being proposed,STED microscopy has been improved in many aspects and widely be applied in the biomedical and material researches to perform multi-functional imaging.This paper elaborates the concepts and key techniques in STED microscopy,reviews its development and latest progresses and also introduces its wide application in scientific researches.【期刊名称】《激光生物学报》【年(卷),期】2013(022)002【总页数】11页(P103-113)【关键词】光学显微;荧光;受激发射;超分辨【作者】李帅;匡翠方;丁志华;郝翔;顾兆泰;葛剑虹;刘旭【作者单位】浙江大学现代光学仪器国家重点实验室,浙江杭州 310027;浙江大学现代光学仪器国家重点实验室,浙江杭州 310027;浙江大学现代光学仪器国家重点实验室,浙江杭州 310027;浙江大学现代光学仪器国家重点实验室,浙江杭州310027;浙江大学现代光学仪器国家重点实验室,浙江杭州 310027;浙江大学现代光学仪器国家重点实验室,浙江杭州 310027;浙江大学现代光学仪器国家重点实验室,浙江杭州 310027【正文语种】中文【中图分类】O4390 引言随着科学技术的不断进步，生物医学，材料学等领域开始对亚百纳米尺度的微结构进行观测与分析，从而对显微技术的发展提出了更高的要求。
圆柱绕流研究进展及展望
圆柱绕流研究进展及展望武玉涛;任华堂;夏建新【摘要】圆柱绕流问题广泛存在于水利工程、建筑工程和环境工程之中.通过对前人圆柱绕流研究的成果整理和分析,将其分为解析研究、物理模型研究和数值模拟研究3个阶段,总结了单圆柱、双圆柱以及圆柱群绕流在流动形态和圆柱受力特性方面的研究进展.分析发现,现有研究主要集中于简单条件下单柱和双柱的受力特性和尾流流场结构,今后需进一步开展柱群在海洋立管、高桩码头和环境工程等复杂条件下的研究,开发尾流形态的主动控制技术.%Flow around cylinder has widely existed in hydraulic engineering,construction engineering,and environmental engineering.Based on the previous researches,this paper summarizes the flow patterns and the force characteristics of single cylinder,two cylinders,and cylinder group by the stages of analytical research,physical model and numerical simulation.It can be found that most researches focused on the flow patterns and the force characteristics of single cylinder or two cylinders.The further research of cylinder group under more complex situations should be carried out on marinerisers,high-piled wharf and environmental engineering,and develops the active control technology to control wake characteristics effectively.【期刊名称】《水运工程》【年(卷),期】2017(000)002【总页数】9页(P19-26,56)【关键词】圆柱绕流;尾流特性;受力特性【作者】武玉涛;任华堂;夏建新【作者单位】中央民族大学生命与环境科学学院,北京100081;中央民族大学生命与环境科学学院,北京100081;中央民族大学生命与环境科学学院,北京100081【正文语种】中文【中图分类】TV135;U651.1+13圆柱绕流作为一种典型的钝体绕流，普遍地存在于自然界和工程中。
光镊理论模型研究进展
光镊理论模型研究进展王娟;任洪亮;周业鹏【摘要】According to the relationship between the particles size and incident beam wavelength.The ray-optics model and the electromagnetic model were studied,mainly reviewed the ray-optics method,finite differ-ence time domain,finite element method,generalized lorentz-mie theory and Rayleigh scattering theory,which theories were used to calculate the trapping force.And also set out several numerical methods for solving the light scattering field,such as,T-matrix method,discrete dipole approximation,method of moments and cou-pled dipole method.The results show that these methods can be used to study different properties of the beams and the particles in the optical tweezers,and the study methods and the processes have some all different.%根据微粒尺度与入射光波长间的关系，给出几何光学模型和电磁模型。
详细描述几何光学法、时域有限差分法（FDTD）、有限元法（FEM）、广义洛伦兹-米理论（GLMT）和瑞利散射方法等计算光镊捕获力的理论，并列出T矩阵法、离散偶极子近似法（DDA）、矩量法（MOM）及耦合偶极子法（CDM）等多种数值计算方法。
高斯涡旋光束在大气湍流传输中的特性研究
也是随机的。由孔径接收的传输中高斯涡旋光束
所含的 ＯＡＭ模式 ｌ的归一化平均功率如下：
Ｐ＾（Ｉｍ）（Ｒ） ＝〈ＰＰ（Ｉ（Ｉｍｍ））（（ＲＲ））〉，
（１１）
Ｒ
∫ 〈Ｐ（Ｉｍ）（Ｒ）〉
＝２π ０
ｄｒｒ〈Ｉ（ｒｍ）（ｒ）〉，
（１２）
式中，＾表 示 总 体 均 值，Ｒ表 示 接 收 孔 径 的 半 径， Ｐ＾（Ｉｍ）（Ｒ）表 示 接 收 端 总 的 平 均 功 率，可 通 过 孔 径 上光束的平均辐照度得到。式（１１）定义的 ＯＡＭ
（长春理工大学 空间光电技术研究所，吉林 长春 １３００２２）
摘要：为了研究大气湍流对高斯涡旋光束传递信息的影响，理论分析了经过大气湍 流 的 高 斯 涡 旋 光 束 轨 道 角 动 量 （ＯＡＭ）模式的径向平均功率和归一化平均功率分布、固有模式指数、初始光束半径和湍流强度；采用纯相位扰动逼近的 有效性，数值模拟高斯涡旋光束在传输中的 ＯＡＭ模式径向平均功率分布的变化。建立传输模型并进行外场激光大气传 输实验，对比分析了模拟和实测的 ＯＡＭ归一化平均功率分布，结果表明在弱湍流条件下，ＯＡＭ模式的径向平均功率随 着接收器孔径尺寸的增加而变化，逐渐趋于稳定值。对于一般常用的接收孔径，在强湍流或较小的初始光束半径条件下 对 ＯＡＭ模式干扰十分严重。验证了用数值方法模拟 ＯＡＭ在湍流介质中的模式变化过程的可靠性。 关 键 词：高斯涡旋光束；大气湍流；轨道角动量（ＯＡＭ）；模式指数 中图分类号：Ｏ４３ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３７８８／ＣＯ．２０１７１００６．０７６８
（９） 式中，Ｕ（ｍ）（·）表 示 圆 柱 坐 标。代 入 式 （６）中 ψ（ｍ）（ｒ）得出：
Ｕ（Ｉｍ）（ｒ） ＝ａ０Ｃ０（ｍ）Ａ（ｍ）（ｒ）Ｃ（ Ｉ－ｍｍ）（ｒ）． （１０） 式（８）表示接收端高斯涡旋光束场是具有不同指
光子角动量_nsfc2013a
奇异光场中光子角动量的研究二、报告正文（一）项目的立项依据与研究内容1、项目的立项依据光子角动量是光波中除了强度、相位和偏振以外的另一重要特性。
虽然不是任意光束都会存在角动量，但其具有十分重要的研究和应用意义。
近年来，对于光子角动量的研究和应用成为光学的许多领域中前沿，例如：量子光学[1,2,8]，纳米光学[3,4]，衍射光学[5,6]，非线性光学[7]等。
与经典力学相同，光子角动量被表达为r×p，其中r为光子相对参考点的位置，p为光子线动量，被定义为p=ε0E×B，ε0为电介质常数，E和B分别为电场和磁场振幅。
可以看出只有在沿轴向具有电场或磁场分布的光场可以存在角动量。
因此，对于理想情况下的平面光波场中不可能存在角动量。
但在实际光束的产生和传播过程中，电磁场在受到自身尺寸或光学器件等光瞳的影响，形成沿轴向的分量，从而具有角动量。
因此光子角动量广泛存在于光场中。
光子角动量可分为两种类型：自旋角动量和轨道角动量。
前者指光子微扰自身旋转形成的角动量；后者指光子在传输过程中围绕光轴旋转。
针对这两种角动量，两种典型的光束引起的角动量得到了大量的研究：圆偏振光束中的光子自旋角动量；具有螺旋相位结构的涡旋光束中的轨道角动量。
1909年，Poynting首次提出在圆偏振光场中存在以ħ为单位的角动量11，随后被Beth实验上通过圆偏振光旋转双折射物体证实12。
自旋角动量存在较简单的两种值+ħ或-ħ，取决于圆偏振光的旋转方向。
因此人们针对这种角动量的基础研究基本停止。
但对光子自旋角动量的应用研究取得了巨大的进展。
除了利用其进行光操控技术外13 14，圆偏振光可以利用光子自旋角动量与自旋材料相互作用控制磁序材料中电子的自旋15。
2012年，Heinz课题组在二硫化钼单层材料上利用圆偏振光开创了对valley自由度（valleytronics）的控制的可能性16。
光子轨道角动量真正引起人们注意是在1992年，Allen等理论上预言了具有螺旋相位的光场可以产生以ħ为单位的角动量，并且该角动量可以在实验上实现7。
2020年中国光学基础研究十大进展
2020年中国光学基础研究⼗⼤进展来源：⽹络信息综合1.基于超构透镜阵列的⾼维量⼦纠缠光源由南京⼤学祝世宁(院⼠)、王振林(教授)、张利剑(教授)和王漱明(副教授)团队、⾹港理⼯⼤学蔡定平(教授)团队、中国科学技术⼤学任希锋(副教授)团队和华东师范⼤学李林研究员组成的联合团队，通过结合超构透镜阵列与⾮线性晶体光效应的物理过程，成功制备出了⾼维路径纠缠光源和多光⼦光源。
他们的研究报告“基于超构透镜阵列的⾼维纠缠和多光⼦量⼦光源”于2020年6⽉26⽇发表在《科学》（Science）杂志上。
随着光量⼦信息技术的发展，基于⾮线性光学过程的纠缠量⼦光源在维度扩展以及光⼦数增加⽅⾯所⾯临的光学系统复杂、可集成度低、稳定性弱等问题，制约着光量⼦信息处理的⼤规模集成。
⼀种称为“超构表⾯”的微结构薄膜材料为量⼦光源及光量⼦信息技术的发展提供了⼀条新路径。
科研团队将超构透镜与⾮线性光学晶体（β相偏硼酸钡晶体，简称BBO晶体）组合在⼀起，构成全新的超构表⾯量⼦光源系统。
他们设计并制备出10×10超构透镜阵列，使⽤泵浦激光⼊射到该系统：让超构透镜阵列将泵浦激光均分成10×10份，并在BBO晶体中聚焦；聚焦的泵浦光在BBO 中发⽣⾃发转换，从⽽产⽣⼀系列信号/闲置光⼦对。
理论上，这⼀由超构透镜与BBO晶体组合在⼀起所制备出的路径纠缠光⼦的维度是100维。
如果增加透镜阵列数，纠缠光⼦的维度还可以进⼀步提⾼。
他们⽤波长404 nm的连续激光作为泵浦光，测量超构透镜阵列中的不同超构透镜产⽣的光⼦之间的纠缠特性，所得到的⼆维、三维以及四维路径纠缠态的保真度分别达到98.4%、96.6%和95.0%。
⽽且，超构透镜具有灵活的光场调控能⼒，可以对光场的相位、偏振、振幅等集成调控，从⽽进⼀步调制纠缠态。
该系统也可以⽤于制备简易紧凑的多光⼦源。
实验中科研⼈员利⽤415 nm的飞秒激光作为泵浦源，分别测量了由该系统制备的4光⼦和6光⼦的符合曲线，并展⽰了4光⼦Hong-Ou-Mandel⼲涉的结果，得到很⾼的⼲涉对⽐度。
矢量光束
毕业设计（论文）题目：具有分数轨道角动量矢量光束的设计与应用English Title：Design and Application of vector beam withfractional orbital angular momentum学生姓名: 刘晓昌专业: 物理学学号: 08027114指导老师: 周琦二0一二年六月摘要矢量光束中的偏振态在光场时空演化及其与其他物质相互作用中起着非常重要的作用，表现出一些不同于标量光束的新颖特性。
因此，矢量光束的研究有重要的科学价值和应用意义。
近年来矢量光束独一无二的性质以及潜在的应用价值使得越来越多的科研人员对其产生了浓厚的兴趣，特别是偏振态显现出轴对称性的光束（即轴对称矢量光束）以及椭圆对称性的光束（即椭圆矢量光束）。
矢量光束以其独特的发展前景受到广泛的关注。
在本论文中，我们首先介绍了矢量光束的基本概念、产生方法以及应用。
通过激光器的谐振腔外干涉或在激光器谐振腔内插入特殊的元件以及利用空间光调制器能够产生各种构型的矢量光束；在第二章中，我们提出了一种利用振幅型空间光调制和偏振分束器件实现矢量光束的方案，数值计算了产生圆对称径向、角向矢量光束以及椭圆矢量光束的调制光栅构型；在第三章中，我们在矢量瑞利——索末菲衍射理论的基础上，介绍了矢量光束经过高数值孔径物镜聚焦的特性，并初步探讨了矢量光束中光子轨道与自旋角动量，得出椭圆矢量光束光子轨道角动量具有分数值的结论。
最后，我们对所研究的内容进行了总结与展望。
关键字：矢量光束；激光器；空间光调制器；衍射理论；角动量ABSTRACTThe polarization state of the vector beam plays a very important role in the evolution of optical field in temporal and spatial dimensions and the interaction with other matters; dues to some novel features different from the scalar beam are presented. Therefore, the study of vector beam has important scientific value and application significance. In recent years, more and more researchers develop strong interest in the unique nature and potential applications of the vector beams, in particular, the beam with axial symmetry polarization state ( ax symmetric vectoring beam) and elliptical symmetry polarization state (elliptical vector beam). Vector beam has also received widespread attention for its unique development prospects.In this paper, some basic concepts, generation method and foundational application of vector beamed are first introduced in Chap. 1. Vector beams with various constructs of polarization can be generated by the methods of outer cavity interference, the use of special optical element inserted into resonant cavity, spatial light modulator and so on. In Chap. 2, we proposed a novel scheme to implement vector beam by synchronously using spatial light modulator working on amplitude mode and polarization beam splitter. The modulation gratings for generating radial, angular vector beam with circle or elliptic symmetry are numerically calculated. Based on vector Rayleigh Sommerfeld diffraction theory，we introduce propagation characteristics of vector beam focused by a objective lens with high numerical aperture in Chap.3. Some preliminary analyzes and discussions of photonic orbital and spin angular momentum of vector beam are also presented. And we find a fractional orbital angular momentum can be obtained in elliptical vector beam. Some conclusions and prospects are draw in final Chapter.Key words: Vector beam; Laser; Spatial light modulator; Diffraction theory; Angular momentum目录绪论 (1)1.矢量光束及其应用 (2)1.1 矢量光束的概念 (2)1.2 矢量光束产生的方法 (4)1.3 矢量光束的应用 (7)2. 利用空间光调制器和偏振分束器实现任意构型矢量光束方案.. 92.1 空间光调制器与偏振分束器原理 (9)2.2 矢量光束产生方案 (12)2.2.1 圆对称径向矢量光束 (14)2.2.2 圆对称角向矢量光束 (15)2.2.3 椭圆对称矢量光束 (17)2.3 本章小结 (20)3. 矢量光束传播特性 (21)3.1 光束矢量衍射理论原理 (21)3.1.1 傍轴标量理论的不自洽性 (21)3.1.2 角谱分析法 (23)3.1.3 矢量瑞利一索末菲衍射积分公式法 (24)3.2 径向、角向矢量光束聚焦特性 (25)3.2.1 矢量光束聚焦场的数学描述 (26)3.2.2 径向偏振光 (27)3.2.3 角向偏振光 (28)3.3 椭圆矢量光束角动量 (28)3.3.1 椭圆矢量光束的光强分布和偏振分布 (29)3.3.2 椭圆矢量光束的总角动量 (29)3.3.3 椭圆矢量光束的自旋角动量和轨道角动量 (31)总结与展望 (33)致谢 (34)参考文献 (35)绪论光学是研究光的物理性质和物理行为以及光和其他物质相互作用的一门物理学科。
对激光光束质量一些问题的认识
的 Ｍ２ 因 子 推 广 用 于 截 断 光 束 ， 先 后 提 出 了 广 义 截 断
二 阶 矩 、渐 近 分 析 和 自 收 敛 束 宽 等 方 法 ［１１］。 按 广 义 截
断二阶矩法， 在柱坐标 系 中 ， 空 间 的 截 断 二 阶 矩＜ｒ２＞、
空 间 频 率 域 中 的 截 断 二 阶 矩 ＜ｐ２＞ 以 及 交 叉 矩 ＜ｒｐ＞ 分
曾 在 国 内 外 学 术 刊 物 发 表 论 文 ５００ 余 篇 ， 其 中 ＳＣＩ 收 录 ２００ 余 篇 。 Ｅｍａｉｌ：ｂａｉｄａｌｕ０＠ｔｏｍ．ｃｏｍ
４８
红外与激光工程
第 ３６ 卷
０引言
在激光光学中， 激光光束质量是一个经典的问题。 事实上， 在 ２０ 世纪 ６０ 年 代 激 光 器 发 明 的 早 期 ， 激 光 科 学家已开始研究激光束的描述和激光光束质量等问 题 。 例 如 ， 在 １９６０ 年 Ｂｏｙｄ 和 Ｇｏｒｄｏｎ 的 “Ｃｏｎｆｏｃａｌ ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ ｒｅｓｏｎａｔｏｒ ｆｏｒ ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ ｔｈｒｏｕｇｈ ｏｐｔｉｃａｌ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｍａｓｅｒ”［１］论 文 中 ， 已 使 用 “光 斑 尺 寸 ”ｗ 和 远 场 “半功率点间的束宽”! 来描述共焦腔的本征模 。此 后， 对激光束的传输变换规律进行了深入 的研究［２－ ３］。
ＬüＢａｉ"ｄａ１， ＫＡＮＧ Ｘｉａｏ"ｐｉｎｇ１，２
（１．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｌａｓｅｒ Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ， Ｓｉｃｈｕａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００６４， Ｃｈｉｎａ； ２．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ， Ｑｉｏｎｇｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｚｈｉｓｈａｎ ５７２２００， Ｃｈｉｎａ）
基于等离激元超表面的径向和角向偏振矢量光束的产生
圆偏振入射光可表示为
Ein01Байду номын сангаас
,
(
Ein x ,
3)
y =
2±i
其中,“
LCP),“
+”号表示左旋圆偏振光(
-”号表示
等离激元超表面产生矢量光场方面也做了一些研究
π
ϕ2 =θ + 4 .
实现了轨道角动量的产生和叠加 .我们课题组在利用
中,采用 不 同 的 光 学 器 件,如 空 间 光 调 制 器
、波
[
9,
10]
[
11,
12]
片、
等,产 生 了 高 阶 庞 加 莱
Dama
n 光 栅、
q板
[
16]
量光束成为近 年 来 研 究 的 热 门 .
L
i
n等 提出了一
等离激元(
SPP)在 超 表 面 上 的 单 向 传 播,
SPP 的 叠
加不依 赖 于 线 偏 振 光,而 是 依 赖 于 圆 偏 振 光 的 旋
了全新途径 .该文设计了一种由正交纳米缝 对 组 成 的 表 面 等 离 激 元(
su
r
f
a
c
ep
l
a
smonpo
l
a
r
i
t
on,
SPP)超 表 面,
实现了径向和角向偏振矢量涡旋光束的产生 .利用惠 更 斯-菲 涅 尔 原 理 从 理 论 上 推 导 出 螺 旋 超 表 面 中 心 区 域
的表面等离激元光场表达式,并利用时域有限 差 分 法 (