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
华侨大学信息科学与工程学院福建省光传输与变换重点实验室，福建 厦门 361021
涡旋光具有特殊的螺旋相位因子，使用涡旋光进行通信编码能够极大地提高通信容量。实际通信环境的湍流、雾霾会导致涡旋光发生散射而形成散斑，这使得涡旋光通信的实际应用难度加大。因此，从散斑中准确高效地测量入射涡旋光的拓扑荷数对涡旋光通信具有重大意义。涡旋光经过散射介质之后形成的散斑场的特性与其拓扑荷数息息相关。基于深度神经网络高效的特征提取特点，采用分类神经网络实现了经过散射后的涡旋光拓扑荷数的测量，且测量准确率达到100%。
物理光学 涡旋光束 拓扑荷数 散射 图像分类 神经网络 光学学报
2022, 42(14): 1426001
1 航天工程大学宇航科学与技术系, 北京 101416
2 航天工程大学基础部, 北京 101416
当前,较为常用的光场复振幅调制方法主要是通过衍射效应来实现的,这造成了能量利用效率普遍较低,为此基于纯相位空间光调制器(SLM)和棋盘相格法在衍射零级实现了高阶贝塞尔涡旋光束的制备。首先,介绍了奈奎斯特光栅和棋盘相格法的基本原理,推导了在衍射零级制备贝塞尔涡旋光束的复振幅调制方法并编码了相应的全息图,分别模拟了通过该方法生成的低阶和高阶贝塞尔涡旋光束的光场分布。其次,基于纯相位SLM搭建了相应的实验光路,分别制备了低阶和高阶贝塞尔涡旋光束。最后,讨论了本文方法的优点和不足。实验结果表明,本文方法制备的高阶贝塞尔涡旋光束的模式纯度虽然不及衍射一级,但却可以将衍射效率提升约4.5倍。
衍射 纯相位空间光调制器 棋盘相格法 贝塞尔涡旋光束 全息图 大拓扑荷数 光学学报
2022, 42(10): 1005001
南京邮电大学 电子与光学工程学院、微电子学院, 南京 210046
为了研究复合涡旋光束的光强与相位特性, 利用不同拓扑荷数的2束零阶径向拉盖尔-高斯(LG)涡旋光束共轴叠加, 产生一种新型的复合涡旋光束, 从理论上研究了拓扑荷数对复合涡旋光束的光强与相位分布特性的影响, 分析了拓扑荷数与中心暗斑直径以及内、外环分叉数的线性关系, 并进行了数值仿真。仿真结果表明: 不同拓扑荷数的2个零阶LG涡旋光束叠加, 光强分布呈亮斑、暗斑相间的模式, 其亮斑数目等于两涡旋光拓扑荷数的差值, 相位分布呈现双环模式, 外、内环分叉数分别由拓扑荷数的较大值、较小值决定, 两者互不影响; 相同拓扑荷数的涡旋光束叠加, 其光强图中亮斑数目是拓扑荷数的4倍, 相位分布图中的分叉数与拓扑荷数相同。
零阶涡旋光束 共轴叠加 光强与相位分布 拓扑荷数 zero-order vortex beam, coaxial superposition, lig
1 江苏信息职业技术学院 电子信息工程学院, 江苏 无锡 214000
2 扬州大学 a.物理科学与技术学院
3 中国科学院 上海光学精密机械研究所 强场激光物理国家重点实验室, 上海 201800
4 扬州大学 b.信息工程学院, 江苏 扬州 225002
针对传统阶梯型高阶螺旋相位板在光纤端面上制作难度大和使用过程中容易损坏的问题, 文章提出了一种在光纤端面上制作平面型螺旋相位板的设计方案。这种相位板在不同方位角上高度相同, 通过控制不同方位角处的折射率可获得不同的拓扑荷数。文章使用菲涅尔衍射理论对该方案产生的涡旋电场分布及光强分布进行了详细的理论分析, 同时采用时域有限差分方法对基模高斯光束通过具有不同拓扑荷数的平面型螺旋相位板后在光纤中的传播过程进行了仿真验证。仿真结果表明, 该种光纤端面平面型相位板对于高阶和低阶模式都能产生高质量的涡旋光束, 有效克服了传统阶梯型螺旋相位板存在的不足。
涡旋光束 光纤端面 平面型螺旋相位板 折射率 拓扑荷数 vortex beam fiber end face flat spiral phase plate refractive index topological charge
强激光与粒子束
2020, 32(8): 081005
1 中国科学院自适应光学重点实验室，四川 成都 610209
2 中国科学院光电技术研究所，四川 成都 610209
3 中国科学院大学，北京 100049
从拉盖尔-高斯涡旋光束表达式出发，基于瑞利衍射理论，通过研究涡旋光束在大气湍流中传输时的旋转相干函数的变化规律，总结了涡旋光束在大气湍流中传输时各轨道角动量之间的串扰情况，使用了拓扑荷数探测概率描述串扰规律，并推导了拓扑荷数探测概率的解析表达式。研究了涡旋光束通过湍流后的拓扑荷数的分布情况，并将结果与涡旋光束通过大气随机相位屏的数值仿真结果进行了对比，给出了理论与仿真的拓扑荷数的探测概率随湍流强度以及初始涡旋光束拓扑荷数大小的关系图对比，验证了推导的拓扑荷数探测概率解析表达式的正确性。通过该表达式可进一步研究大气湍流与涡旋光束相互作用从而影响涡旋光束轨道角动量散射的本质，为涡旋光束的空间光通信中选择合适的拓扑荷数间隔，以及在不同湍流强度下选择合适束腰大小以减少串扰带来的误码率提供了理论依据。
大气湍流 涡旋光束 拓扑荷数 轨道角动量 atmospheric turbulence vortex beam topological charge orbital angular momentum
华侨大学 信息科学与工程学院, 福建省光传输与变换重点实验室, 福建 厦门 361021
为了研究涡旋光束和高斯光束在水下湍流中的闪烁特性，搭建了一套含有水下湍流的实验系统，利用循环泵控制水槽内湍流的强弱，使用闪烁仪测量光束的闪烁因子.利用这套实验系统，详细研究了涡旋光束和高斯光束在水下传输时的闪烁因子.研究结果表明，涡旋光束和高斯光束的闪烁因子随着传输距离的增大而增大，并且随着水下湍流强度增大，涡旋光束和高斯光束对应的闪烁因子也越大.在12.6 m的传播距离内，拓扑电荷m=2的涡旋光束的闪烁因子远大于高斯光束的闪烁因子.另外，在不同强度的水下湍流中，拓扑荷数m=6的涡旋光束传播到5.4 m时，其径向闪烁因子都先减小然后再增大.此外，拓扑荷数m=6的涡旋光束经过一定距离的传播后，其闪烁因子低于拓扑荷数m=4的涡旋光束的闪烁因子.本文研究结果对探索涡旋光束在海洋湍流中的应用具有重要价值.
涡旋光束 水下湍流 闪烁因子 拓扑荷数 光强分布 Vortex beam Underwater turbulence Scintillation index Topological charge Light intensity distribution 光子学报
2019, 48(12): 1214004
1 山东大学信息科学与工程学院, 山东 济南 250100
2 山东航天电子技术研究所, 山东 烟台 264670
3 山东大学控制科学与工程学院, 山东 济南 250061
4 山东大学苏州研究院, 江苏 苏州 215123
研究高斯光束经螺旋相位板和轴棱锥产生高阶贝塞尔-高斯涡旋光束的离轴传输情况,对于离轴高阶贝塞尔-高斯光束的成因、 光强分布操控、光斑定位等实际应用具有一定的理论指导意义。利用菲涅尔衍射积分的卷积算法(Triple fast Fourier transform, T-FFT)对离轴高阶贝塞尔-高斯涡旋光束进行仿真分析,着重研究了螺旋相位板和轴棱锥的错位参数、拓扑荷数 以及传输距离等参数对光束带来的影响。分析表明:离轴高阶贝塞尔-高斯光束具有不均匀的光强分布,由于轴棱锥的偏移, 光束会整体发生偏移,传输不同距离光强不均匀分布情况不同,不同的拓扑荷数只影响光斑的扩展,螺旋相位板和轴棱锥离 轴参量值的多种组合会导致多种不同的光强分布情况,甚至出现暗核偏移。
涡旋光束 光强分布 螺旋相位板 拓扑荷数 vortex beam distribution of field density spiral phase plate topological charge number 大气与环境光学学报
2019, 14(6): 401
