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
1 江苏警官学院刑事科学技术系，江苏 南京 210031
2 公安部鉴定中心，北京 100032
时空光涡旋由于其携带横向轨道角动量这一独特的性质引起研究人员的广泛关注，与普通涡旋光束相比，其能提供额外的自由度，这标志着对光场调控的水平能够达到更高的层次。以同时在时空域和空域均携带螺旋相位的时空-空域光涡旋为基础，数值模拟了时空-时空光涡旋和时空-时空-空域光涡旋。通常根据时空光涡旋中不同光涡旋之间共心的情形，通过引入参量来调控时空域光涡旋中心的位置，从而达到不同光涡旋之间不共心的目的，并数值模拟了偏心双光涡旋和偏心三光涡旋这两种物理模型。本研究丰富时空光涡旋的模式，并为其后续研究提供理论基础。
超快激光 轨道角动量 时空涡旋 空间涡旋 螺旋相位 激光与光电子学进展
2024, 61(5): 0526002
为了进一步探索高阶和分数阶涡旋光的高效产生方法, 利用相关计算程序模拟了涡旋光相位全息图, 搭建了相位全息法产生涡旋光的光路, 研究了整数和分数阶涡旋光的光场分布特点。实验结果表明: 当产生轨道角动量拓扑荷数l=1~200整数阶的涡旋光时, 涡旋光束图的中心暗斑在一定范围内会随拓扑荷数的增大而增大, 超过一定数值范围后, 受限于仪器参数的涡旋光质量会降低; 当产生l=8.1、8.4、8.8分数阶的涡旋光时, 涡旋光相位出现分数分布, 径向缺口随分数阶拓扑荷数增大而逐渐向整数阶演化。
涡旋光束 轨道角动量 相位全息图 螺旋相位 空间光调制器 vortex beam, orbital angular momentum, phase holog
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
1 西安邮电大学电子工程学院, 陕西 西安 710121
2 中国船舶重工集团第 705研究所, 水下信息与控制重点实验室, 陕西 西安 710077
基于 Rytov近似理论, 分析了各向异性海洋湍流中汉克 -贝塞尔(HB)光束的交叉谱密度, 研究了轨道角动量(OAM)模式探测概率、串扰概率及 HB光束的螺旋相位谱, 建立了各向异性海洋湍流中 OAM模式探测概率模型。结果表明, HB光束在各向异性海洋湍流环境中发射 OAM模式的探测概率高于在各向同性海洋湍流环境中的探测概率。并且随着各向异性因子的增大, 海洋湍流对发射 OAM模式探测概率的影响减小, 串扰模式的探测概率也随之下降。
各向异性海洋湍流 汉克-贝塞尔光束 轨道角动量 螺旋相位谱 光学涡旋 anisotropic ocean turbulence Hank-Bessel beam orbital angular momentum orbital angular momentum spectrum optical vortex
1 中北大学 信息与通信工程学院，山西 太原 030051
2 中北大学 电子测试技术国家重点实验室，山西 太原 030051
基于涡旋光与球面波的干涉原理，提出一种物体微位移的光学测量方法。改进马赫泽德干涉光路，其中一束光照射至空间光调制器产生涡旋光束作为参考光，另一束光经透镜变为球面波后照射至物体上，两束光干涉后干涉条纹呈螺旋状分布。当物体发生微小位移时两束光的光程差改变，螺旋干涉条纹发生旋转，通过干涉条纹的旋转角度可以确定物体的微位移量。经理论分析、仿真和实验证明:基于涡旋光与球面波干涉螺旋条纹旋转角度的变化能够实时监测物体位移量的变化，同时可以有效计算物体的微位移。实验中，测量物体的产生位移量为27 nm，通过涡旋光与球面波干涉螺旋条纹旋转角度的变化实际测得物体的位移为25.75 nm，误差为1.25 nm。
涡旋光 微位移 螺旋相位 空间光调制器 vortex beam micrometric displacement spiral phase spatial light modulator 红外与激光工程
2020, 49(4): 0413005
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
针对联合变换相关器(JTC)多图像加密系统对于加、解密灰度图像时, 解密图像质量不理想的问题, 利用前期提出的一种灰度图像二值编码方法, 设计了一种基于灰度图像二值编码的JTC多图像加密系统。该系统将灰度多图像的加、解密问题转化为二值多图像的加、解密问题, 可有效抑制加、解密过程中产生的非饱和噪音, 提高图像解密质量。仿真结果表明, 相同条件下在基于螺旋相位模板拓扑荷数复用的JTC多图像加密系统中使用灰度图像的二值编码图像进行加、解密相对于直接加、解密灰度图像, 其相关系数值有显著提升, 再使用中值滤波抑制解密图像中的饱和噪音, 可进一步提高解密图像质量。
光学图像加密 多图像 联合变换相关器 灰度图像 二值编码 螺旋相位模板 optical image encryption multi-image joint transform correlator gray image binary coding spiral phase mask
1 太阳能高效利用湖北省协同创新中心, 湖北 武汉 430068
2 湖北工业大学理学院, 湖北 武汉430068
3 湖北工业大学机械工程学院现代制造质量工程湖北省重点实验室, 湖北 武汉 430068
4 上海市激光技术研究所, 上海市激光束精细加工重点实验室, 上海 200233
高阶贝塞尔光束被广泛应用在激光加工和精密测量等领域。针对高阶贝塞尔光束的生成方法, 通过空间光调制器加载高阶相位全息图, 代替真实的螺旋相位板和轴锥镜。理论分析锥镜组合和相位叠加两种模式下的光场分布, 设计实验对比两种模式下的光束调制情况。研究结果表明, 相位叠加法的调制效果优于锥镜组合法, 而且操作灵活、能减小加工误差, 是一种有效的高阶贝塞尔光束的生成方法。
高阶贝塞尔光束 空间光调制器 全息图 螺旋相位板 轴锥镜 high-order Bessel beam spatial light modulator hologram spiral phase plate axicon
