作者单位
摘要
1 江苏科技大学 理学院, 江苏 镇江 212000
2 浙江省光电探测材料及器件重点实验室, 浙江 宁波 315211
3 宁波大学 高等技术研究院, 浙江 宁波 315211
相较于单涡旋光束,涡旋阵列光束能够扩充信息的传输容量,研究其传输特性对其光通信应用具有重要意义。本文选取阶数为n的螺旋因斯-高斯(HIGn,n)模式,采用海上大气折射率变换的功率谱,模拟海面大气湍流。基于相位屏法研究了一维阵列涡旋光束在海面大气湍流中光强、相位、闪烁因子和质心漂移的变化情况。结果表明:(1)HIGn,n模式的闪烁因子和质心漂移标准差随湍流强度以及大气湍流内尺度的增加而增加;(2)n为奇数的HIGn,n模式的闪烁因子随着阶数的增大而减小,且高于n为偶数的HIGn,n模式;(3)阶数n>1的HIGn,n模式比LG0,1模式具有更好的稳定性;(4)阶数越高,HIGn,n模式的质心漂移标准差越小。其次,选取线性阵列涡旋光束(LAVBs)进行对比,研究得出虽然LAVBs比HIG光束具有更好的传输性能,但由于HIG光束具有独特的结构,故可适用于不同的应用场景。最后,分析了椭圆参量和椭圆环数对HIG模式传输的影响,结果表明适当地增大椭圆参量或椭圆环数有助于提高HIG模式的抗湍流能力。本文研究结果对涡旋光束的海上应用具有指导意义。
大气光学 螺旋因斯高斯模式 阵列涡旋光束 闪烁因子 湍流 atmospheric optics helical ince-gaussian mode array vortex beam scintillation index turbulence 
中国光学
2024, 17(2): 300
Author Affiliations
Abstract
Ministry of Education Key Laboratory for Nonequilibrium Synthesis and Modulation of Condensed Matter, Shaanxi Provincial Key Laboratory of Quantum Information and Quantum Optoelectronic Devices and Shaanxi Provincial Key Laboratory of Optical Information Technology, School of Physics, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China
Multimode photonic quantum memory could enhance the information processing speed in a quantum repeater-based quantum network. A large obstacle that impedes the storage of the spatial multimode in a hot atomic ensemble is atomic diffusion, which severely disturbs the structure of the retrieved light field. In this paper, we demonstrate that the elegant Ince-Gaussian (eIG) mode possesses the ability to resist such diffusion. Our experimental results show that the overall structure of the eIG modes under different parameters maintains well after microseconds of storage. In contrast, the standard IG modes under the same circumstance are disrupted and become unrecognizable. Our findings could promote the construction of quantum networks based on room-temperature atoms.
elegant Ince-Gaussian mode hot atomic ensemble antidiffusion 
Chinese Optics Letters
2023, 21(7): 072701
王爱华 1,2李锦辉 3盛泉 1,2,*耿婧旎 1,2[ ... ]姚建铨 1,2
作者单位
摘要
1 天津大学精密仪器与光电子工程学院,天津 300072
2 天津大学光电信息技术教育部重点实验室,天津 300072
3 东南大学成贤学院,江苏 南京 210088
利用不同阶拉盖尔-高斯(LG)模式激光具有不同光束尺寸的特性,在激光谐振腔内使用短焦距透镜引入球差,使各阶LG模式激光的空间光路发生分离,从而实现对高阶横模的选择并产生高阶LG模式涡旋激光输出。通过对高阶LG模式激光的聚焦特性和透镜球差进行分析计算,给出了高阶LG0,±m模式涡旋激光的角向指数(m)随谐振腔参数变化的理论模型。搭建端面泵浦的1064 nm Nd∶YVO4激光器开展了实验研究,在2.06 W泵浦功率下获得了角向指数可便捷调控且m最高可达到280的超高阶LG0,±m涡旋激光输出。实验产生的超高阶涡旋激光具有良好的功率和模式稳定性,模式变化规律与理论计算结果相符。通过增加泵浦功率或优化泵浦交叠以提高激光增益,理论上可以产生任意高阶的涡旋激光输出。研究结果为超高阶LG模式涡旋激光的产生提供了参考。
激光光学 拉盖尔-高斯模式 涡旋激光 模式选择 高阶横模 球差 
中国激光
2023, 50(11): 1101021
Author Affiliations
Abstract
1 Nanjing University, College of Engineering and Applied Sciences, School of Physics, National Laboratory of Solid State Microstructures, Nanjing, China
2 Sun Yat-Sen University, School of Physics, State Key Laboratory of Optoelectronic Materials and Technologies, Guangzhou, China
3 Nanjing University, Collaborative Innovation Center of Advanced Microstructures, Nanjing, China
4 University of Arkansas, Department of Physics, Fayetteville, Arkansas, United States
Laguerre-Gaussian (LG) modes, carrying the orbital angular momentum of light, are critical for important applications, such as high-capacity optical communications, superresolution imaging, and multidimensional quantum entanglement. Advanced developments in these applications demand reliable and tunable LG mode laser sources, which, however, do not yet exist. Here, we experimentally demonstrate highly efficient, highly pure, broadly tunable, and topological-charge-controllable LG modes from a Janus optical parametric oscillator (OPO). The Janus OPO featuring a two-faced cavity mode is designed to guarantee an efficient evolution from a Gaussian-shaped fundamental pump mode to a desired LG parametric mode. The output LG mode has a tunable wavelength between 1.5 and 1.6 μm with a conversion efficiency >15 % , a controllable topological charge up to 4, and a mode purity as high as 97%, which provides a high-performance solid-state light source for high-end demands in multidimensional multiplexing/demultiplexing, control of spin-orbital coupling between light and atoms, and so on.
orbital angular momentum Laguerre-Gaussian mode optical parametric oscillator 
Advanced Photonics Nexus
2023, 2(3): 036007
作者单位
摘要
1 长春理工大学光电工程学院,吉林 长春 130022
2 长春理工大学电子信息工程学院,吉林 长春 130022
3 长春理工大学空间光电技术国家与地方联合工程中心,吉林 长春 130022
为满足日益增长的通信容量需求,空分复用技术得到了快速发展,其中基于多平面光转换的模式复用及解复用混频器由于兼容模式多、插入损耗小等优点而成为了研究热点。为了简化相干通信接收端,本文提出了基于多平面光转换的拉盖尔高斯模解复用混频器,同时实现了模解复用和90°混频功能。本文首先提出拉盖尔高斯模解复用混频器的设计原理及参数定义,并采用基于角谱计算的波前匹配算法建立模解复用混频器模型。然后,基于模型仿真研究了正弦拉盖尔高斯模解复用混频器,仿真结果表明,所设计的混频器的插入损耗为-0.7020 dB,信号光与本振光的耦合系数大于0.89,端口相位差小于10.1°。之后,进一步分析了相位板数量及像素尺寸、工作波长等对输出性能的影响,结果发现:在不考虑相位板反射等外部损耗时,随着相位板数量增加(≥8),插入损耗和模式相关损耗逐渐减小并趋于平稳;工作波长在1500~1600 nm范围时,耦合系数、端口均一性、插入损耗和模式相关损耗变化较小;像素尺寸在3.2~19.2 μm范围时,端口均一性和模式相关损耗变化较为平稳,耦合系数和插入损耗随着像素增大而恶化。最后,考虑到轨道角动量光束在空间光通信领域的广泛应用,在上述基础上进一步设计了轨道角动量光束的模解复用混频器,其性能满足应用要求。本研究结果表明:所提出的基于多平面光转换的拉盖尔高斯模及轨道角动量光束的模解解复用混频器可以同时实现模解复用和90°混频功能,性能较好,且具有较好的波长特性。本方案及仿真分析结果为空分复用技术中关键器件的设计提供了技术参考。
光通信 相干通信 多平面光转换 模解复用混频器 拉盖尔高斯模 轨道角动量 
中国激光
2022, 49(9): 0906002
盛泉 1,2王爱华 1,2王盟 1,2刘俊杰 1,2,3[ ... ]姚建铨 1,2
作者单位
摘要
1 天津大学精密仪器与光电子工程学院, 天津
2 光电信息技术教育部重点实验室天津大学, 天津
3 天津津航技术物理研究所, 天津
基于腔内球差选模方法在端面泵浦的 Nd:YVO4激光器中实现了能够对角向指数 m进行便捷选择的高阶 LG模式激光输出, 从 LG模式光斑半径和能量分布的角度对实验现象进行解释, 分析发现不同模式间球差引起的实际焦点偏离是实现单一 LG模式运转的关键, 而单一模式自身球差产生的损耗决定了该模式是否能够起振。根据理论分析, 分别通过使用长焦距透镜减小球差以降低高阶模式的损耗和增加泵浦功率以提高增益, 实现了角向指数 m最高达到 ±95的超高阶 LG模式输出; 通过使用短焦距透镜增大球差来加强对光斑较小的低阶模式的区分度, 实现了径向指数 p>0的 LG模式输出。
拉盖尔高斯模式 固体激光器 模式选择 球差 Laguerre-Gaussian mode solid-state laser mode selection spherical aberration 
光电技术应用
2021, 36(5): 73
作者单位
摘要
1 南京航空航天大学 理学院 应用物理系, 南京 211106
2 南京航空航天大学 航天学院 航天光电信息系, 南京 211106
为了获得Ince-Gasussian矢量光场束腰位置对紧聚焦特性的影响规律, 采用正交偏振的奇偶模式叠加理论和Richards-Wolf矢量衍射积分理论, 对不同束腰位置的Ince-Gaussian矢量光场紧聚焦特性进行了研究。结果表明, 在高数值孔径聚焦条件下, 入射Ince-Gaussian矢量场的束腰距离透镜位置zi在一定瑞利长度zR范围内(zi<0.5zR)改变时, 其聚焦场的横向场结构即光强与偏振态分布, 依然可以保持稳定; 通过聚焦场相位结构分析, 给出了在束腰距离透镜位置zi超过一定瑞利长度zR范围(zi>0.5zR)时, 影响横向场结构不稳定的原因; 聚焦场纵向偏振分量作为聚焦场的一个自由度, 被证明可以用来构建更加丰富的矢量结构光场。此研究结果对复杂结构矢量光场在光学微操控与光信息存储方面的研究有重要参考价值。
物理光学 偏振 矢量光场 紧聚焦 Ince-Gaussian模式 physical optics polarization tightly focusing vector optical field Ince-Gaussian mode 
激光技术
2021, 45(1): 1
作者单位
摘要
中国电子科技集团公司 第十二研究所,北京 100015
根据几何光学和耦合波理论研究高功率回旋振荡管高阶模式在微扰圆波导中的准光传输特性,并编制出带有微扰结构辐射器准光模式变换系统的仿真程序,给出140 GHz回旋振荡管Denisov辐射器的设计方法及结果,分析其内部激励起的各模式的功率分布曲线和波导壁上的电流密度分布,得到扰动长度为60 mm,总长度为136.5 mm的Denisov辐射器结构,输出功率转换效率为99.1%,可满足140 GHz整管参数设计要求。并利用Feko软件对数值计算结果的可行性进行了有效验证,从而为热核聚变用回旋振荡管的研制打下技术基础。
140 GHz回旋振荡管 准光模式变换器 高斯模式 140 GHz gyrotron oscillator quasi-optical mode converters Gaussian mode 
太赫兹科学与电子信息学报
2020, 18(5): 761
Author Affiliations
Abstract
Department of Electrophysics, Chiao Tung University, Hsinchu 30010
The study of structured laser beams has been one of the most active fields of research for decades, particularly in exploring laser beams with orbital angular momentum. The direct generation of structured beams from laser resonators is deeply associated with the formation of transverse modes. The wave representations of transverse modes of spherical cavities are usually categorized into Hermite–Gaussian (HG) and Laguerre–Gaussian (LG) modes for a long time. Enormous experimental results have revealed that the generalized representation for the transverse modes is the Hermite–LG (HLG) modes. We make a detailed overview for the theoretical description of the HLG modes from the representation of the spectral unitary group of order 2 in the Jordan–Schwinger map. Furthermore, we overview how to derive the integral formula for the elliptical modes based on the Gaussian wave-packet state and the inverse Fourier transform. The relationship between the HLG modes and elliptical modes is linked by the quantum Fourier transform. The most striking result is that the HLG modes can be exactly derived as the superposition of the elliptical modes without involving Hermite and Laguerre polynomials. Finally, we discuss the application of the HLG modes in characterizing the propagation evolution of the vortex structures of HG beams transformed by an astigmatic mode converter. This overview certainly provides not only a novel formula for transverse modes, but also a pedagogical insight into quantum physics.
transverse mode spherical cavity Hermite–Gaussian mode Laguerre–Gaussian mode 
Chinese Optics Letters
2020, 18(9): 091404
作者单位
摘要
南京航空航天大学理学院应用物理系, 江苏 南京 211106
复杂空间结构矢量光场是当前光场调控领域的重要研究内容。作为一类基于椭圆坐标系的本征激光场,Ince-Gaussian(IG)光场比Laguerre-Gaussian和Hermite-Gaussian两类本征光场具有更丰富的空间自由度,是构建复杂空间结构矢量光场的基本光场之一。基于正交偏振IG偶模和奇模的空间叠加理论,通过空间光调制器分离调控偶模和奇模光场,系统地研究了不同阶数下正交偏振IG模式叠加生成的不同空间结构的IG矢量光场。对获取的矢量光场进行分析,并与理论模拟的结果进行对比,验证了并联分离调控产生IG矢量光场的可行性。
物理光学 矢量光场 偏振 Ince-Gaussian模式 空间光调制器 
光学学报
2019, 39(8): 0826001

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