遇旋光束及其轨道角动量传输特性的实验研究

摘要 ...................................................................... I Abstract..................................................................................................................................... III 目录.............................................................................................................................................. I 1绪论. (1)

1.1研究背景和意义 (1)

1.2分数阶涡旋光束及其阵列光束的研究现状 (4)

1.3大气湍流对涡旋光束传输的影响研究现状 (6)

1.4本课题主要研究内容 (7)

2涡旋光束及其轨道角动量复用和湍流介质 (9)

2.1涡旋光束的轨道角动量 (9)

2.1.1轨道角动量的基本概念 (9)

2.1.2涡旋光束的性质 (10)

2.1.3拉盖尔高斯模 (11)

2.1.4高阶贝塞尔高斯模 (11)

2.2涡旋光束及其阵列的制备 (12)

2.2.1柱面透镜模式转换法 (12)

2.2.2螺旋位相板法 (13)

2.2.3计算机全息法 (13)

2.2.4轨道角动量涡旋光束阵列的发射器 (14)

2.2.5空间光调制器 (15)

2.2.6Dove棱镜法 (16)

2.2.7 Damman光栅法 (16)

2.2.8 高阶光子轨道角动量在高精度传感技术中的应用 (17)

2.3涡旋光束传输的湍流介质 (18)

2.4本章小结 (19)

3分数阶拉盖尔高斯光束轨道角动量的实验研究 (21)

3.1分数阶涡旋光束的研究进展和内容 (21)

3.2理论基础 (21)

3.2.1全息图制备原理 (22)

3.2.2分数阶涡旋光束阵列的复合全息光栅制备原理 (23)

3.2.3获取复相位叠加光栅涡旋光束及其阵列的原理 (23)

3.3实验原理 (24)

3.4 实验结果与分析 (24)

西安理工大学硕士学位论文

I I

3.4.1仿真及制备整数阶与分数阶拉盖尔高斯光束 (24)

3.4.2利用准直叠加光栅衍射拓扑荷数变化的原理 (26)

3.5本章小结 (28)

4涡旋波束在大气斜程传输中轨道角动量稳定性研究 (29)

4.1 涡旋波束在大气湍流传输中的研究进展 (29)

4.2 理论基础 (29)

4.3仿真分析 (32)

4.3.1随着传输距离和拓扑荷数的取值制备两类光束光强分布对比 (32)

4.3.3光束波长随着传输距离取值影响两类光束各谐波分量对比 (35)

4.3.4天顶角随着传输距离取值影响两类光束各谐波分量对比 (36)

4.3.5 OAM指数随着传输距离取值影响两类光束各谐波分量对比 (36)

4小结 (38)

5轨道角动量叠加态及多路复用方案 (39)

5.1共轴OAM叠加态光束 (39)

5.2利用SLM制备共轴叠加态 (39)

5.3两个模式的叠加光路设备 (41)

5.4 叠加态的检测 (42)

5.5基于OAM调制的光信号复用设计 (43)

5.6本章小结 (44)

6总结与展望 (45)

6.1 论文研究总结 (45)

6.2前景展望 (45)

致谢 (47)

参考文献 (49)

附录 (55)

攻读硕士学位期间研究成果 (55)

硕士期间参与的基金项目 (55)

绪论

11 绪论

1.1 研究背景和意义

轨道角动量是经典力学和量子力学的基本物理量，是未来进一步提升光网络容量的新型自由度。由于智能终端的普及以及移动应用的蓬勃发展，促使移动互联网呈现出爆炸式发展趋势，此时迫切需要更高速、更智能、更高效的新一代无线移动通信技术。光作为信息传输的载体与无线电通信相比，具有更高的可用带宽。光通信具有速率高、容量大、成本低廉和保密性强等优点。利用携带轨道角动量的涡旋光束复用技术可以在不增加带宽下实现轨道角动量通信数据传输容量的增加，而轨道角动量模式复用与解复用是一个难点。目前，轨道角动量复用技术的研究备受关注，轨道角动量复用技术在无线通信中的应用逐渐成为研究热点。

事实上，具有悠久历史的光子角动量的研究，可以追溯到1990年，当时Poynting 【1】就因为率先意识到光具有角动量--自旋角动量，将光的自旋角动量与光波的偏振态的联系起来。1936年，美国Beth 等【2】发现四分之一波片可以用来改变光波偏振态特性，便巧妙地利用力学实验首次验证了分别携带 ±自旋动量的左、右圆偏振光子。但是直到1992年，荷兰Leidon 大学的Allen 等【3】才在理论上确认另一种形式的角动量也可以由光子携带——轨道角动量，轨道角动量的特性来源于光波的螺旋相位。他们发现平均每个光子携带 ±的轨道角动量均具有相位结构)exp(θil 的光场，其中θ是方位角，如拉盖尔-高斯光束，其中l 是任意数。在三维空间中这类光束的等相位面的螺旋度与旋向分别取决于l 的绝对值与符号。当l 取非零值时，其螺旋结构与意大利面非常类似。1995年澳大利亚Queensland 【4】大学研究组，首次在实验中观测到了轨道角动量由光束到氧化铜微粒的传递并驱动后者发生转动，发现光子轨道角动量不仅在数学层次上是一个新概念，更是真实物理存在的一种。

目前光子轨道角动量已成为国际光学领域的一个研究热点，在基础物理、应用物理以及天文、生物等交叉学科中的研究中都具有重要的应用价值。例如，具有特殊螺旋相位和中空光场的轨道角动量光束可应用于微控操作技术。早在1986年，Ashkin 等【5】在实验上证明一束聚焦高斯光束产生的光场梯度力可用于微观粒子的三维囚禁，这种技术被形象地称为“光学镊子”。而利用轨道角动量光束，不仅可以实现微粒的光学囚禁，而且当光束的部分轨道角动量传递给微粒后，后者还会受到一个力矩的驱动而发生转动，这一新颖的力学效应被Padgett 【6】教授形象地称为“光学扳手”。2001年，英国Paterson 等【7】利用带有轨道角动量的涡旋光束制备干涉图样，演示了“光学扳手”在生物学微型机械领域中的应用。由于高阶轨道角动量光束对如细胞或DNA 分子的生物组织热损伤小，因此将光镊和光扳手两种技术有机结合，易于完成在微纳尺度下的激光囚禁和操控，如光学导引、微马达等都具有广阔的应用前景。由于具有特殊的相位螺旋结构，轨道角动量光束在相衬成像系统也具有新颖的应用，如图像的边缘增强效应和浮雕效果。与轨道角动量密切相关的