“光场调控、传输及其应用”专题 前言

    

——赵建林 蔡阳健

    

近年来,随着人们对激光认识的不断深入和激光技术应用的迅速扩展,相继提出并实现了多种振幅、相位、偏振态及相干结构等具有特殊空间分布的新型光场,例如具有螺旋相位的涡旋光场,偏振态依赖空间分布的矢量光场,具有横向自加速效应的艾里(Airy)光场,具有无衍射传输特性的贝塞尔(Bessel)光场,具有非傍轴自弯曲效应的马丢(Mathieu)光场,可沿任意轨迹传输的类贝...

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自由空间中偏振调制光场的传输及控制

刘圣 李鹏 章毅 韩磊 程华超 赵建林

光场的偏振态作为光场调控的一个新自由度,逐渐成为研究者们关注的热点。对光场偏振态的非均匀调制可以实现光子自旋-轨道相互耦合,从而发掘很多新的光学现象,其中Pancharatnam-Berry(PB)相位扮演了至关重要的角色。在偏振转换中,光场的不同偏振分量得到不同的PB相位。利用PB相位对光场偏振分量进行波前整形,以控制光场偏振分量的传输,从而在光场传输过程中实现偏振转换、角动量转化、能流控制等。光场偏振调制的相关研究在自旋选择成像、微粒操控、激光微加工、信息传输与修复中具有潜在的应用价值。分析了偏振调制光场的传输和控制原理,总结了近年来国内外的相关研究工作进展。

激光相干性调控及应用

陈亚红 蔡阳健

回顾了光场相干性的基本理论以及发展历程,介绍了激光相干度大小和相干函数的调控方法,以及激光相干性的测量方法,对激光相干性调控引发的物理效应及其基础应用作了介绍。激光相干性调控不但丰富了光场调控理论,而且推动了激光技术的发展。

基于空间光场调控技术的光学微操纵

梁言生 姚保利 雷铭 严绍辉 于湘华 李曼曼

光镊技术具有无机械接触与高精度操纵微小尺度粒子的优点,自发明以来已逐渐成为生命科学和胶体物理学等领域中强有力的研究工具。随着研究的深入,传统的单光阱光镊已难以满足更高级的应用需求。近年来,空间光场调控技术通过对光场的振幅、相位和偏振态分布的调制,极大地丰富和增强了光学微操纵技术的功能,促进了包括激光微纳加工、微粒分选与输运、胶体粒子物理特性研究等方面的发展。从光场的振幅、相位和偏振态调制技术出发,综述近年来空间光场调控技术的发展及其在光学微操纵中的应用,重点介绍全息光镊、特殊模式光束微操纵、矢量光场微操纵等光学微操纵技术的研究进展。

表面等离激元光镊技术

豆秀婕 闵长俊 张聿全 袁小聪

光镊是捕获与操纵微纳颗粒的重要技术手段,其基本原理为光与物质之间动量传递的力学效应,具有非接触、操纵精度高等优点,广泛应用于物理、化学、生物及医学等科学前沿领域。近年来,表面等离激元因具有突破衍射极限和近场能量增强两大特性,为光镊技术的发展带来了新的突破口,成为国际上一个重要和前沿的研究方向。基于表面等离激元的新型光镊技术主要分为两类:结构型表面等离激元光镊技术和全光调控型表面等离激元光镊技术,它们在颗粒捕获精度、捕获范围、操纵动态性与操纵自由度等方面各有特色,吸引了国际上众多研究人员进行大量的理论研究和实验探索。表面等离激元光镊技术在纳米颗粒、金属颗粒捕获以及近场电磁场增强与调控方面展现了独特优势,在生物传感、表面增强拉曼散射等领域具有广阔的应用前景。

基于光取向液晶的光场调控技术

陈鹏 徐然 胡伟 陆延青

由于特种光束的独特性质和丰富应用,光场调控技术近年来得到了越来越广泛的关注。设计特定结构调控普通高斯光束的振幅、相位或偏振方向,可以得到一系列特殊光场。利用一种偏振敏感的光取向材料,基于动态缩微投影曝光系统的液晶光控取向技术,可实现精确、任意和可重构的液晶方位角的取向控制。基于该项技术制备了二值或渐变的液晶微结构元件,对入射光场的各个参量维度进行调控,产生了高品质、高效率的涡旋光束、矢量光束和艾里光束。利用该项技术制备的器件具有成本低廉、轻便集成、电光可调、偏振可控和宽波段适用等特点。综述了本课题组近期在该领域的系列研究工作,或将为光场调控技术带来全新的可能,为液晶光学器件带来更广泛的应用。

光波弱散射过程中的统计光学特性

王涛 赵道木

光波经介质散射后的远场光学特性,包括光谱强度、光谱相干度以及光谱偏振度等,与散射介质的结构特征密切相关。近年来,光波弱散射现象的研究取得了较大进展,一方面,研究人员将散射体推广到各种介质,包括各向异性介质、半软边介质、椭球形介质等;另一方面,研究人员将入射光波推广到各种常见的光束,如随机电磁光波、平面波脉冲光束、非匀幅光束等。介绍了关于光波弱散射问题的主要研究成果,包括光波散射过程中的光谱变化现象、相干性变化现象、等价理论、互易关系以及光波散射逆问题等。

激光脉冲整形在微纳光学系统中的应用研究进展

褚赛赛 李洪云 王树峰 杨宏 龚旗煌

通过对激光脉冲频谱的相位、振幅或偏振进行调制,可以获得不同时域分布的激光脉冲。这些特性不同的激光脉冲在物理过程和光学器件研究中具有重要的应用。随着光发射电子显微镜、超灵敏探测光谱仪、扫描近场显微等技术的发展,激光脉冲整形技术在微纳米光学中的应用日益深入。总结了近年来激光脉冲整形与测量技术的发展,综述了激光脉冲整形在近场光学、光发射电子显微镜、单分子光谱中的应用研究进展。

涡旋光场的集成光子学操控方法

余思远

光学涡旋是一类围绕光轴具有螺旋相位项的圆柱光学模式。近年来,光学涡旋因其在光学和光子学的许多领域具有重要潜在应用而引起了广泛关注,其可能应用范围包括光通信、光信息处理、成像传感和量子信息等。与基于自由空间光学的方法相比,集成光子学的发展为操纵光学涡旋提供了更为有效的方法。对使用集成光子器件操纵光学涡旋的理论框架和最新技术进展进行了全面综述。

自加速光的调控及其新奇应用

陈志刚 许京军 胡毅 宋道红 张泽 赵娟莹 梁毅

实现自弯曲光乃至自回旋光一直是人们的梦想与科幻的题材。近年来,艾里光束以及推广的自加速光束因其无衍射、自弯曲传输以及自愈等奇异特性引起了人们极大的研究兴趣。这些光束的构想不仅得到了实验证实,而且具有广泛的应用前景,包括操控微纳颗粒、等离子体通道和表面等离子体激元、电子加速、精密成像、湍流传输、引导放电等,这些应用前景使得自加速光倍受青睐,成为一个广泛关注和激动人心的前沿热点课题。本文简单综述了基于相位调制的自加速光束的研究进展,包括自加速光束的产生和传输特性,以及其在空域和时域的推广与调控,并着重介绍自加速光在若干领域的新奇应用。

贝塞尔飞秒光束光学整流效应的研究

梁晓晶 栗岩锋 徐帅帅 曹辉 胡明列 柴路 王清月

光学整流效应是产生宽带太赫兹波最有效的手段之一,基于光学整流效应产生太赫兹波的方法主要依靠抽运光与非线性晶体之间的相互作用。分别以5 mm的磷化镓(GaP)块状晶体和6 mm的GaP波导结构作为太赫兹波发射晶体,对具有相同功率的贝塞尔光束中心光斑和高斯光束的光学整流效率进行了对比研究。实验结果表明,在GaP块状晶体中,贝塞尔光束的光学整流效率是高斯光束的2.04倍;波导的特殊结构可以使抽运光和太赫兹波之间实现严格的相位匹配,贝塞尔光束的相对效率增加为3.46倍。两种抽运光产生的太赫兹波场均具有高斯分布特性,且贝塞尔光束产生的太赫兹波频谱具有明显的红移特征。贝塞尔光束能够提高光学整流效率,有助于实现高功率、紧凑型的太赫兹源,对推广太赫兹波的应用有显著意义。

激光雷达双程路径上的光波闪烁效应

赵琦 崔朝龙 黄宏华 朱文越 饶瑞中

对光强闪烁激光雷达在湍流大气中的双程光路传输路径进行了研究,分别得到了单站和双站情况下接收端获取的残余闪烁指数的表达形式。在大孔径条件下,双程光路的残余闪烁指数为发射光路湍流效应引起的球面波闪烁指数。通过光强闪烁激光雷达与闪烁仪的水平对比实验,理论结果得到了验证。

空间滤波器失调对2 kW射频板条CO2激光器输出光束的影响

肖龙胜 秦应雄 王振 唐霞辉

2kW射频板条CO2激光器光束整形系统中空间滤波器具有消除旁瓣、提升光束质量的作用,研究其失调对输出光束的影响具有现实意义。通过理论和实验研究了空间滤波器失调对光强分布的影响,理论分析与实验结果基本一致。数值模拟了失调对输出功率的影响。结果表明,空间滤波器非稳方向横向位移失调对输出功率的影响不是线性的,输出功率损耗随着横向位移的增加急剧增大;对整形光束光强分布的影响很大,失调量大于0.2 mm时就会使整形光束非稳方向出现明显的旁瓣。空间滤波器轴向位移失调对功率影响较小,但对光斑形状有比较明显的影响,失调量达到10 mm时,整形光束两个方向的直径差可达3 mm。空间滤波器旋转失调角度在10°以下时,对整形光束非稳方向光束的影响可以忽略,主要影响波导方向光束,旋转失调会使模式变差。旋转失调对功率也有较大的影响,失调角度为10°时,功率损耗增加到25%。

覆石墨烯微纳光纤双折射与电光调控特性

毕卫红 李彩丽 王晓愚 付广伟 付兴虎 杨凯丽 马敬云

石墨烯具有特殊的二维柔性结构,可调控费米能级特性和优异的光学、电学性能。利用有限元法,对覆石墨烯微纳光纤光场调控进行理论分析,通过改变石墨烯与缓冲层结构覆微纳光纤的角度,破坏光纤的对称性结构,使光纤具有双折射特性,双折射度大小与石墨烯覆盖角度有关;通过外加电压的方法改变石墨烯的化学势,可对光纤进行开关调控,由此设计出一种包覆石墨烯的微纳光纤电吸收型调制器并进行性能分析。通过数值分析可发现当覆盖光纤角度为270°时,1550 nm处双折射度可达1.23×10-3;电吸收调制器工作在1550 nm时,器件长度为18 μm,消光比为7 dB,3 dB带宽可达到927 MHz,插入损耗为0.58 dB。

海洋湍流中光学成像相关问题研究

蒲欢 季小玲

比较研究了海洋湍流与大气湍流中长曝光调制传递函数的差异,讨论了海洋湍流中短曝光调制传递函数(SEMTF)的适用性,并且详细研究了海洋湍流参数对系统分辨率的影响。研究表明:海洋湍流中温度起伏占主导地位比盐度起伏占主导地位时的成像质量更高, 即包含更多原图像的高频细节。虽然用Fried短曝光理论研究SEMTF时在高频区存在缺陷,但随着透镜直径与空间相干长度之比以及光传输距离的增大,SEMTF在高频区的适用性增强。此外,随着海水功率谱温度与盐度的比率和海水温度方差耗散率的增大,海水单位质量湍流动能耗散率的减小,海洋湍流中光学系统的分辨率减小, 即成像质量变差。

湍流大气中涡旋光束的光强分布及光学涡旋的漂移

葛筱璐 魏功祥 刘晓娟 国承山

数值模拟了拉盖尔-高斯涡旋光束在湍流大气中传输时的光强分布和光学涡旋的漂移。由模拟结果可知,当涡旋光束在湍流大气中传输时,光强分布由最初的环形结构变为平顶结构,最终在远场演化为高斯分布;光强廓线的演变过程与传输距离、湍流强度、湍流外尺度、涡旋光束拓扑荷数、束腰宽度以及光波长有关,与湍流内尺度无关。光学涡旋在接收面的不同位置处出现的频次满足高斯分布;随着传输距离的增加、湍流的增强或涡旋光束拓扑荷数的增加,光学涡旋的漂移范围增大且在不同位置处出现的频次偏离高斯分布;适当选择涡旋光束的束腰宽度会减小光学涡旋的漂移。

湍流大气脉冲波束经漫射目标散射的统计特性

向宁静 吴振森 郭秋芬

基于广义惠更斯-菲涅耳原理和粗糙面散射理论,考虑发射机到目标和目标到接收机双程路径中大气湍流对光束传输的影响,研究了脉冲波束经漫射目标散射后的二阶统计特性。推导了接收机处双点双频互相干函数(MCF)的表达式,计算得到平均强度以及复相干度因子,并对此进行数值模拟。结果表明,相位结构函数占优情况下,接收面的脉冲平均强度与大气湍流水平无关;但脉冲相干带宽与湍流强度、中心频率、湍流外尺度、观察处两点间距离、频差有关。

不同路径下散射介质对计算关联成像的影响

刘保磊 杨照华 曲少凡 张艾昕 吴令安

物体和探测器中间存在的散射介质会对传统光学成像造成严重影响,计算关联成像是能够降低散射影响的有效方法之一。本文分析了光源发射路径和接收路径存在的散射介质,建立了存在散射介质的计算关联成像(CGI)模型,对比分析了不同路径段的散射介质对CGI和传统直接成像(TDI)的影响。从理论分析得出,CGI中发射路径的散射介质会引起重建图像质量的衰减,而接收路径中的散射介质几乎不会影响最终的成像结果。实验分析证实,CGI可以降低散射光对成像造成的干扰。实验结果表明,在发射路径和接收路径同时存在散射干扰时,CGI和TDI的衬噪比分别为2.98和2.72。CGI能够降低云、烟、雾或生物组织等介质的散射干扰。

完美涡旋光束的产生及其空间自由调控技术

李新忠 孟莹 李贺贺 王静鸽 尹传磊 台玉萍 王辉 张利平

利用涡旋光束与锥透镜透射率函数设计相位掩模板,采用平面光照射写入相位掩模板的空间光调制器(SLM),则在SLM的傅里叶平面上产生了完美涡旋光束,解决了傅里叶平面0级和±1级光谱重叠的问题。提出了一种完美涡旋光束的空间自由调控技术,通过实验分析,明确了空间调控位移与调控因子间的函数关系,调控精度达到了2.25 μm。通过在线调节锥透镜的锥角参数,实现了完美涡旋光束中心亮环半径的自由调控,并得到光束中心亮环半径与锥角的二次函数关系。将波长为532 nm和632.8 nm入射光产生的完美涡旋光束作对比,结果表明,当入射波长较长时,仍可得到较小半径的完美涡旋光束。该研究为完美涡旋光束在微粒操纵、光学信息编码、光学测量及基于轨道角动量的光纤通信等领域的应用提供了新思路。

调控抽运脉冲的时、空啁啾改善太赫兹波输出效率

柴婷婷 柴路 朱伟岸 徐帅帅 栗岩锋 胡明列 王清月

从理论和实验两方面研究了调控抽运脉冲的时、空啁啾特性对于波面倾斜法产生太赫兹波输出效率的影响。实验和数值模拟证明:对于附加时间啁啾情况,当附加正时间啁啾时,太赫兹波输出效率与附加啁啾量呈非线性关系,并具有最佳值;当附加负时间啁啾时,太赫兹输出效率与附加啁啾量呈线性反比关系。对于附加空间啁啾情况,不论附加空间啁啾的大小和符号如何,都会降低太赫兹波的输出效率,并且随着空间啁啾量的增加而快速下降。这些结果对基于波面倾斜法产生超快太赫兹波系统的优化和调控具有指导意义。

应用分级凹槽阵列转换表面等离极化激元为空间任意弯曲光束

李辉 聂俊英 徐永征 王刚 付统 王莉 张中月

应用勒让德变换反演任意弯曲目标曲线对应的相位函数,通过该相位函数与不同级数凹槽阵列相位间满足的关系,确定凹槽阵列位置;再利用凹槽阵列将金属表面等离极化激元转换为空间任意弯曲光束。研究了目标曲线常数和结构参数对空间弯曲光束的影响。结果发现,空间弯曲光束的强度、弯曲形状以及传播距离依赖于弯曲曲线常数、槽深和槽宽。

矢量场完全相干与偏振的内在关联

陈晶晶 陈斐楠 李伽

基于统计相似理论,利用完全相干所隐含的两点处光场分量间的关系,分别对Wolf和Setl定义下完全相干所对应的偏振特性进行研究。分析完全相干所包含的光场偏振度特性以及偏振部分的偏振态分布特征,并找出光场分量间的线性特性与椭圆率和方位角之间的关联形式,最后进行了模拟仿真实验。结果表明,基于Wolf定义的完全相干,两点处光场的偏振度可以是任意的,但是这两点处的偏振度以及交叉偏振度绝对相等,且两点光场完全偏振部分的偏振态也完全一致;基于Setl定义的完全相干,对应着两点处的光场均是完全偏振的,但是这两点光场的偏振态并不一致,而且它们的椭圆率以及方位角之间并无特定联系。

轴棱锥聚焦贝塞尔-谢尔模型光束产生空心光束

朱清智 吴逢铁 何西

提出了轴棱锥聚焦贝塞尔-谢尔模型光束产生空心光束的方法。应用交叉谱密度函数模拟了贝塞尔-谢尔模型光束通过轴棱锥后的光强分布。结果表明,空心光束的尺寸随着传播距离的增加逐渐增大。使用Tracepro软件模拟验证了该空心光束的自重建特性。设计相关实验进行验证,且理论分析、数值模拟与实验结果相吻合。此研究结果对于光镊等的实际应用具有重要的参考价值。