拉盖尔-高斯光束由于其特有的涡旋特性使其在大气传输过程中具有更好的稳定性。实际激光输出存在的部分相干性将对光束传输具有明显的影响，在大功率输出模式下，克尔效应的产生也会影响到光束传输的特性。本文从部分相干拉盖尔-高斯光束的交叉谱密度方程出发，推导了克尔效应作用下光束的传输表达式，利用分步傅里叶变换，对高功率部分相干涡旋传输中的克尔效应过程进行了模拟，并对比了不同参数影响下，光束相干性不同时克尔效应的差异。结果表明，克尔效应有助于维持光强的环状结构，提高拓扑荷数能够有效地缓解因相干度降低而造成的涡旋结构衰退的现象。
物理光学 拉盖尔-高斯光束 部分相干 克尔效应 环状结构 光学学报
2023, 43(20): 2026002
1 西安理工大学自动化与信息工程学院，陕西 西安 710048
2 陕西科技大学电子信息与人工智能学院，陕西 西安 710021
3 西安工业大学光电工程学院，陕西 西安 710021
光场回波散射特性是未来水下激光通信与探测一体化的关键技术之一，而具有螺旋波前结构的涡旋光束［如拉盖尔-高斯（LG）光束］更适合抑制海洋湍流的影响。利用广义Huygens-Fresnel原理，推导出弱海洋湍流中LG光束经高斯分布粗糙表面反射的回波散斑强度的解析表达式；数值分析了光源参数、海洋湍流以及粗糙目标表面参数对回波散斑场复相干度的影响。结果表明，复相干度随着LG光束拓扑荷数、束腰半径、波长的增大而减小，随着海洋湍流强度的增大而降低，随着粗糙面相干长度的增加而增大，并且当粗糙表面的相干长度大于球形波在海洋湍流中传播的相干长度时，复相干度变化不明显，表明此时粗糙表面对复相干度的影响远小于海洋湍流的影响。这一结论为海洋湍流条件下目标探测与识别提供了参考。
海洋光学 海洋湍流 拉盖尔-高斯光束 散斑 回波特性 复相干度 光学学报
2023, 43(12): 1201007
江苏警官学院刑事科学技术系，江苏 南京 210031
近年来，完美涡旋光束被提出并得到了研究。结合完美涡旋光束和偏振奇异以生成完美偏振奇异光场。将2束正交圆偏振的拓扑荷数不同的完美拉盖尔-高斯光束叠加，得到完美偏振奇异光场，实验结果表明：完美偏振奇异光场的半径比传统的偏振奇异光场半径小得多。此外，研究了不同情形的正交圆偏振的完美拉盖尔-高斯光束与传统拉盖尔-高斯光束的叠加，其叠加光场的偏振态表现各异，并且出现了“准高阶偏振奇异”的现象。完美奇异点的模拟生成拓宽了奇异光学的理论研究范畴。
奇异光学 激光光学 偏振奇异 完美拉盖尔-高斯光束 激光与光电子学进展
2023, 60(7): 0726001
Author Affiliations
Abstract
1 Department of Aerospace Science and Technology, Space Engineering University, Beijing 101416, China
2 Laboratory of Quantum Detection & Awareness, Space Engineering University, Beijing 101416, China
3 Basic Ministry, Space Engineering University, Beijing 101416, China
4 State Key Laboratory of Laser Propulsion & Its Application, Space Engineering University, Beijing 101416, China
5 63729 Troops of Chinese People’s Liberation Army, Taiyuan 030027, China
6 School of Space Information, Space Engineering University, Beijing 101416, China
The resolution of the spatial light modulator (SLM) screen and the encoding algorithm of the computer-generated hologram are the primary limiting factors in the generation of large topological charge vortex beams. This paper attempts to solve these problems by improving both the hardware and the algorithm. Theoretically, to overcome the limitations of beam waist radius, the amplitude profile function of large topological charge Laguerre–Gaussian (LG) beam is properly improved. Then, an experimental system employing a 4K phase-only SLM is set up, and the LG beams with topological charge up to 1200 are successfully generated. Furthermore, we discuss the effect of different beam waist radii on the generation of LG beams. Additionally, the function of the LG beam is further improved to generate an LG beam with a topological charge as high as 1400. Our results set a new benchmark for generating large topological charge vortex beams, which can be widely used in precise measurement, sensing, and communication.
spatial light modulator Laguerre–Gaussian beam computer-generated hologram large topological charge Chinese Optics Letters
2022, 20(12): 120501
1 咸阳师范学院物理与电子工程学院，陕西 咸阳 712000
2 西安理工大学自动化学院，陕西 西安 710021
3 陕西科技大学电气与控制工程学院，陕西 西安 710021
拓扑绝缘体（TI）是一种具有特殊能带结构的新型量子物态。它的体内结构像绝缘体一样不导电，而表面像导体一样具有金属性能够导电，能够实现无损耗传播能量和信息，良好的光学透射率。利用平面角谱展开法和传输矩阵理论研究了拉盖尔-高斯（LG）光束入射分层拓扑绝缘体（TI）薄膜的相位分布特征。数值结果表明，反射场和透射场中LG光束的相位结构会随着拓扑磁电极化率（TMEP）的变化而变化，尤其是p波的相位分布中心轴发生左移或者右移的现象。拉盖尔-高斯LG光束入射分层拓扑绝缘体介质薄膜相位分布特征在无线激光通信、光学囚禁、微粒操纵、非线性光学以及信息编码等领域有一定意义。
表面光学 拉盖尔-高斯光束 拓扑绝缘体 相位结构 分层介质 传输矩阵理论 激光与光电子学进展
2022, 59(5): 0524002
1 中国科学院武汉物理与数学研究所波谱与原子分子物理国家重点实验室, 湖北 武汉 430071
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 中国科学院冷原子物理中心, 湖北 武汉 430071
超冷原子旋量玻色-爱因斯坦凝聚体中存在诸多具有不同拓扑属性的自旋织构, 可以为凝聚态物理、粒子物理等领域中拓扑结构的研究提供理想的量子模拟平台。拉盖尔-高斯光束具有特定的空间结构且携带确定的轨道角动量, 可用于研究冷原子中的自旋织构。通过数值模拟讨论拉盖尔-高斯光束 驱动 F=1 三能级原子系统的双光子拉曼过程, 在光斑尺寸与原子团大小可比拟的情况下, 分别从初态处于铁磁相和极化相的凝聚体中得到斯格明子结构, 并据此提出一种精确获取光斑尺寸的方法, 用于标定拉曼耦合强度, 为后续实验提供参考。
量子光学 拉盖尔-高斯光束 拉曼过程 自旋织构 斯格明子 quantum optics Laguerre-Gaussian beam Raman process spin texture Skyrmion
拉盖尔-高斯光束是典型的涡旋光束,光束的轨道角动量会传递给微粒使其产生轨道运动。本文利用T矩阵方法和麦克斯韦应力张量积分计算了强聚焦线偏振拉盖尔-高斯光束对球形粒子的捕获力,并着重分析了粒子半径和光束阶数对微粒在涡旋聚焦场中运动状态的影响。当光束阶数一定时,随着微粒半径的增大,轨道运动的轨迹会逐渐缩小。当粒子半径大于临界值时,就会被捕获到光轴上,且无法进行轨道运动。但是,离轴捕获的粒子受到的轴向捕获力比轴上捕获的要小一个量级,需要施加足够的入射光功率以维持稳定的轨道运动。
拉盖尔-高斯光束 涡旋光束 T矩阵方法 光学捕获 轨道运动 Laguerre-Gaussian beam vortex beam T-matrix method optical trapping orbital motion
西安电子科技大学物理与光电工程学院, 陕西 西安 710071
涡旋光束可以有效提高通信系统的信道容量,但大气环境下光通信信道受大气湍流的影响,因此研究涡旋光束大气湍流传输特性具有重要意义。大气湍流广泛采用Kolmogorov谱模型进行描述,但对大气湍流的进一步研究表明,大气湍流还具有非Kolmogorov谱特征。开展了非Kolmogorov谱湍流下涡旋光束传输特性的研究,基于数值方法研究了湍流内外尺度、广义指数因子、折射率结构常数对拉盖尔-高斯光束在不同传输距离下的螺旋谱分布、拓扑荷探测概率等参量的影响,仿真结果表明,拓扑荷探测概率与以上参量密切相关。最后,提出了一种数值计算涡旋光束闪烁指数的方法,并据此计算分析了大气湍流对通信误码率的影响。结果表明,即使在弱湍流中传输至1000 m处,误码率也很难达到通信要求,因此有必要采取进一步的相位校正措施。
大气光学 拉盖尔高斯光束传输性能 数值方法 螺旋谱分解 闪烁指数 误码率 激光与光电子学进展
2018, 55(12): 120101
