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涡旋光束的产生、传输与应用是当前光学领域热门的研究课题之一. 本文提出的新型多环涡旋光束, 包括双环涡旋及三环涡旋光束, 它是由多束携带不同拓扑电荷数且束腰半径不同的拉盖尔-高斯涡旋光束共轴叠加而成, 其光强分布为多环结构. 从理论上研究了多环涡旋光束的形成与分布特征, 基于共轭对称延拓Fourier计算全息方法生成了多环涡旋光束的计算全息图, 并利用一个空间光调制器实验产生了与理论一致的高质量的多环涡旋光束. 研究表明多环涡旋光束的各环携带不同的轨道角动量, 空间分布保持相互独立.这种新型的多环涡旋光束
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多环涡旋光束的实验研究
黄素娟 谷婷婷 缪庄 贺超 王廷云
Experimental study on multiple-ring vortex beams
Huang Su-Juan Gu Ting-Ting Miao Zhuang He Chao Wang Ting-Yun
引用信息 Citation: Acta Physica Sinica, 63, 244103 (2014) DOI: 10.7498/aps.63.244103
在线阅读 View online: http://dx.doi.org/10.7498/aps.63.244103
当期内容 View table of contents: http://wulixb.iphy.ac.cn/CN/Y2014/V63/I24
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物 理 学 报 Acta Phys. Sin. Vol. 63, No. 24 (2014) 244103
多环涡旋光束的实验研究
∗
黄素娟
†
谷婷婷 缪庄 贺超 王廷云
(上海大学通信与信息工程学院, 上海大学特种光纤与光接入网省部共建重点实验室, 上海 200072)
( 2014 年 5 月 5 日收到; 2014 年 7 月 3 日收到修改稿 )
涡旋光束的产生、传输与应用是当前光学领域热门的研究课题之一. 本文提出的新型多环涡旋光束, 包
括双环涡旋及三环涡旋光束, 它是由多束携带不同拓扑电荷数且束腰半径不同的拉盖尔 -高斯涡旋光束共轴
叠加而成, 其光强分布为多环结构. 从理论上研究了多环涡旋光束的形成与分布特征, 基于共轭对称延拓
Fourier 计算全息方法生成了多环涡旋光束的计算全息图, 并利用一个空间光调制器实验产生了与理论一致
的高质量的多环涡旋光束. 研究表明多环涡旋光束的各环携带不同的轨道角动量, 空间分布保持相互独立.
这种新型的多环涡旋光束相对于携带单一拓扑电荷数的涡旋光束, 提供了更多的控制参数和更加多样化的结
构分布, 因此在光学镊子、光学捕获等微操控以及光通信领域具有潜在的应用潜力.
关键词: 涡旋光束, 拓扑电荷数, 计算全息图, 空间光调制器
PACS: 41.85.–p, 42.25.Fx, 42.40.Jv, 42.79.–e DOI: 10.7498/aps.63.244103
1 引 言
近年来, 具有螺旋波前结构的涡旋光束逐渐
成为光学领域的研究热点
[1,2]
, 此类光束特征相位
因子描述为 exp(ilθ), 其中 l 为拓扑电荷数, Allen
等
[3,4]
证明此类光束中每个光子均携有 l~ 大小的
轨道角动量. 涡旋光束的产生方法主要有模式转
换
[5]
、螺旋相位板 (spiral phase plate, SPP)
[6,7]
和
空间光调制器 (spatial light modulator, SLM)
[8,9]
,
目前实时与灵活性俱佳的空间光调制器被较广泛
地用来产生涡旋光束, 通过加载不同的计算全息图
(computer-generated hologram, CGH), 可以方便
地产生携带不同拓扑信息的动态涡旋光束.
随着对携带单一拓扑电荷数的涡旋光束研究
逐渐深入, 复合涡旋光束逐渐成为该领域关注的热
点. 如利用拉盖尔 -高斯 (Laguerre-Gaussian, LG)
涡旋光束
[3,10]
共轴叠加, 可以形成具有多样化结构
分布和特殊传播特性的复合涡旋光束, 如 bottle 光
束
[11]
、光学摩天轮
[12]
、光环晶格
[13−15]
等, 其为光
束的相位分布、Guoy 旋转、光束自修复及冷原子囚
禁等
[14−17]
研究提供了大量的理论和实验依据. 近
年来, 国内相关学者也在复合涡旋光束的研究中取
得了一定的成果. 文献 [18] 研究了部分相干双环涡
旋光束的传播特性. Guo 等
[19]
在研究抑制旁瓣得
到最佳环形螺旋相位结构时, 提出了双环螺旋相位
及其光强分布的复合涡旋光束. 文献 [20] 研究了具
有双环结构的双涡旋光束的产生方法与传输特性,
该光束由 SPP 和 SLM 分别产生携带不同拓扑电荷
数的涡旋光束在自由空间共轴叠加而成; 此后, 方
杜娟等基于文献 [20] 的研究成果, 对分数阶双环涡
旋光束的产生与空间传输特性进行了实验研究
[21]
.
但文献 [19] 主要研究抑制涡旋光束旁瓣得到最佳
环形相位结构, 而文献 [20, 21] 在双环涡旋光束的
产生过程采用了较高复杂度的实验系统, 涡旋光束
分别经 SLM 及 SPP 产生后需要进行准确的共轴叠
加, 光束中心需要尽可能的对准, 并且在光合束位
置需要保持等臂. 此外, 文献 [20, 21] 中基于 SLM
产生的外环涡旋光束, 其主亮环外围均有明显的旁
瓣的存在.
本文研究新型的多环涡旋光束, 包含双环涡旋
∗
国家自然科学基金 (批准号: 61178088, 61235002, 61475098)、上海市科技创新行动计划 (批准号: 14511100100) 和上海市教委科
研创新基金 (批准号: 12YZ011) 资助的课题.
†
通讯作者. E-mail: sjhuang@shu.edu.cn
© 2014 中国物理学会 Chinese Physical Society http://wulixb.iphy.ac.cn
244103-1
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