长春理工大学物理学院吉林省固体激光技术与应用重点实验室，吉林 长春 130022
基于Rytov近似，理论推导了完美涡旋光束（PVB）经过大气湍流水平信道后的螺旋相位谱解析表达式，研究了大气湍流中光束波长、半环宽、发射处轨道角动量（OAM）模态、光束半径、近地面折射率结构常数以及湍流系数对OAM模态探测概率和串扰概率的影响。结果表明：随着发射处OAM模态、传输距离、光束半径、近地面折射率结构常数以及湍流系数的增加，经大气湍流传输后的探测概率下降；随着光束波长的增加，经大气湍流传输后的探测概率增加。此外，PVB在近场的探测概率几乎不随发射处OAM模态变化，而当光束传输到远场时，探测概率随发射处OAM模态变化明显，这是因为PVB传输到远场变成类贝塞尔光束，其光束半径随发射处OAM模态变化明显。
大气光学 完美涡旋光束 轨道角动量 湍流大气 螺旋相位谱
Author Affiliations
Abstract
1 International Collaborative Laboratory of 2D Materials for Optoelectronics Science and Technology of Ministry of Education, Institute of Microscale Optoelectronics, Shenzhen University, Shenzhen, China
2 Institute for Advanced Study, Shenzhen University, Shenzhen, China
3 Fiber Optics Research Centre, School of Information and Communication Engineering, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu, China
4 Departamento de Física, Universidade Federal de Pernambuco, Recife-PE, Brazil
5 Email: hejingsong@szu.edu.cn
High-intensity vortex beams with tunable topological charges and low coherence are highly demanded in applications such as inertial confinement fusion (ICF) and optical communication. However, traditional optical vortices featuring nonuniform intensity distributions are dramatically restricted in application scenarios that require a high-intensity vortex beam owing to their ineffective amplification resulting from the intensity-dependent nonlinear effect. Here, a low-coherence perfect vortex beam (PVB) with a topological charge as high as 140 is realized based on the super-pixel wavefront-shaping technique. More importantly, a globally adaptive feedback algorithm (GAFA) is proposed to efficiently suppress the original intensity fluctuation and achieve a flat-top PVB with dramatically reduced beam speckle contrast. The GAFA-based flat-top PVB generation method can pave the way for high-intensity vortex beam generation, which is crucial for potential applications in ICF, laser processing, optical communication and optical trapping.
digital micromirror device flat-top beam orbital angular momentum perfect vortex beam random fiber laser High Power Laser Science and Engineering
2024, 12(1): 010000e5
1 上海理工大学 上海市现代光学系统重点实验室，上海 200093
2 上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093
理想完美涡旋光束是一种光强分布不随拓扑荷数的改变而改变的特殊光束，与普通涡旋光束相比，其可以大幅提升在微粒操纵、光纤传输等方面的应用效率。为了探究完美涡旋光束的自由空间传播特性，利用汉克变换详细计算并分析了拓扑荷数、初始面光环半径以及环宽度对其衍射特性的影响，发现完美涡旋光束不具备无衍射特性，光环会随着衍射距离的增加而展宽并逐渐向贝塞尔函数转变。当初始面光环半径增加或环宽度减小时，衍射效应增强，其中环宽度的影响要大于光环半径。与前两者相比，拓扑荷数对衍射效应的影响较小。研究结果对完美涡旋光的进一步应用提供了有益的理论参考。
完美涡旋光 拓扑荷数 傅里叶变换 衍射 perfect vortex beam topological charge Fourier transform diffraction
1 河南科技大学物理工程学院, 河南 洛阳 471023
2 河南科技大学化工与制药学院, 河南 洛阳 471023
3 中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室, 陕西 西安 710119
为研究高阶衍射级光束的轨道角动量, 基于计算全息法在空间光调制器的傅里叶平面产生了不同衍射级的完美涡旋光束, 并利用球面波干涉法对其拓扑荷值进行了测量。理论和实验结果表明不同衍射级 p 上的整数阶和分数阶完美涡旋光束的拓扑荷值 l 都满足 l=mp 的关系, 其中 m 是相位掩模板的拓扑荷值。并进一步对不同衍射级的光学涡旋阵列进行了实验研究, 结果表明光学涡旋阵列中光学涡旋的拓扑荷值满足 l=p 的关系, 高阶衍射级上的衍射光束比 +1 级衍射光束具有更大的轨道角动量。该研究为光学涡旋及光学涡旋阵列进一步的研究及应用提供了理论和实验参考。
傅里叶光学 轨道角动量 计算全息 完美涡旋光束 光学涡旋阵列 Fourier optics orbital angular momentum computer generated holography perfect vortex beam optical vortex array
华中科技大学光学与电子信息学院, 湖北 武汉 430074
完美涡旋光束的涡旋半径与拓扑荷数无关,且携带有轨道角动量,这使得完美涡旋光束在光学通信、量子光学以及激光制造等领域被广泛应用。利用双光子聚合的激光直写技术制备出了可产生完美涡旋光束的径向相移螺旋型波带片。通过改变波带片的径向相移控制参数,实现了对完美涡旋光束涡旋半径的调控。同时,通过干涉图样验证了涡旋光束携带的轨道角动量与设计的拓扑荷数相吻合。本工作可为光子芯片集成的快速设计制造提供一定参考。
物理光学 完美涡旋光束 激光直写 轨道角动量 干涉
1 河南科技大学物理工程学院, 河南 洛阳 471023
2 河南省光电储能材料与应用重点实验室, 河南 洛阳 471023
3 河南科技大学化工与制药学院, 河南 洛阳 471023
完美涡旋光场模式的单一性难以满足其在多种领域的应用需求。为解决该问题,提出了一种同心矢量完美涡旋模式,其光强分布为一族同心的矢量完美涡旋,各环矢量完美涡旋的性质得到了验证。研究发现,每个完美涡旋的光环大小、偏振阶数等特征参数相互独立。对同心矢量完美涡旋模式光环叠加的实验表明,与标量完美涡旋光束叠加不同,矢量叠加产生的子涡旋会在特定位置消失,原因是两光环在该位置偏振正交。该研究极大地丰富了完美涡旋的模式分布,拓宽了完美涡旋在微操纵、光通信等领域的潜在应用。
物理光学 矢量光场 涡旋光束 完美涡旋光束
