部分相干矢量涡旋光束深聚焦及OAM特性研究

作     者：贺蕊 

作者单位：西安工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：吕宏

授予年度：2022年

学科分类：070207[理学-光学] 07[理学] 0702[理学-物理学] 

主      题：矢量涡旋光束 轨道角动量 部分相干 矢量衍射积分 杂化庞加莱球 

摘      要：近年来,通过对相位、偏振态等光场基本参量的联合调控,诞生了一种兼具各向异性空间偏振态和螺旋形相位分布的新型空间结构光束,名为矢量涡旋光束。由于独特的偏振和相位特性,光束经过高数值孔径透镜聚焦还可能产生更新颖的轨道角动量（Orbital angular momentum,OAM）性质,逐渐引起了研究者们的关注。相比于完全相干光束,部分相干光束受湍流大气影响更小,因此,部分相干矢量涡旋光束焦场的OAM在空间遥感探测、光通信等领域具有更大的应用潜力。本论文主要针对部分相干矢量涡旋光束深聚焦及其OAM特性进行了理论和实验方面的研究,主要工作如下:（1）结合部分相干及矢量衍射积分理论,研究了携带叠加态拓扑电荷的部分相干径向偏振涡旋光束深聚焦光强和OAM密度分布特性,以及入射光束的相干长度和聚焦透镜的数值孔径对光强分布、纵向分量OAM密度分布及OAM的影响。研究发现,焦场的光强和OAM密度分布呈花瓣状,随着相干长度增大,光强、纵向分量的OAM密度及OAM均变大,当增大至0.5cm后,相干长度的变化不再产生影响。随着数值孔径增大,光强没有明显变化,纵向分量的OAM密度及OAM均随数值孔径的增大而增大。（2）根据正交左右旋圆偏振涡旋叠加描述的杂化庞加莱球矢量涡旋光场分布,基于反射式空间光调制器设计产生矢量涡旋光束的方案,搭建实验光路,通过改变空间光调制器上加载的左右旋分量相位分布图,在焦平面处得到不同拓扑电荷、偏振阶数及偏振态的矢量涡旋光斑,分析了矢量涡旋光束焦场的光强分布特性。（3）利用左右旋圆偏振涡旋构建杂化庞加莱球矢量涡旋光束,基于矢量衍射积分理论,数值计算并分析了光束深聚焦后纵向分量的OAM密度分布特性,研究了矢量涡旋光束的拓扑电荷、偏振阶数、以及左右旋分量的初始相位差对纵向分量焦场OAM的影响。研究发现,纵向分量的OAM密度分布整体呈现内外两层,分别集中了对应的左右旋分量,并且,左右旋分量拓扑电荷的符号分别决定了内外层OAM密度的正负分布。纵向分量的OAM与左右旋分量的初始相位差无关。矢量涡旋光束的拓扑电荷和偏振阶数均会影响OAM,当拓扑电荷大于2时,OAM随着偏振阶数的增大而增大。本文的研究结果可为部分相干矢量涡旋光束及其OAM特性在空间目标探测和光通信领域的应用提供一定的参考。