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飞秒激光制备带有闪耀光栅的全息板实现复合涡旋光的方法研究

张雪东  
【摘要】:复合涡旋光不仅拥有涡旋光的所有的特性,而且拥有着自己的特点,比如具有多个相位奇点,更高的轨道角动量(OAM),可以通过增加复合OAM模式的数目,提供任意的OAM量子态,这在量子信息和光通信上提供了各式各样的机会。一个可变的幅值分束器和一个轨道角动量被用来产生叠加的涡旋光,但是传统的方法产生的涡旋光纯度可能较低,而且整个实验系统庞大,复杂。在此,提出一种简易的方法可以同时产生和分离高纯度的涡旋光,并且通过集成设计的结构实现涡旋光的叠加,得到带有可控拓扑荷的复合涡旋光。首先,阐述了涡旋光的概念、特征以及波函数,其中详细分析了轨道角动量与自旋角动量的关系。此外总结了目前最常见的以及最新发现的方法,例如:螺旋相位板,计算全息-空间光调制器,q-板,回音壁模式谐振腔,超材料与超表面等。其次,闪耀光栅的全息板(HPBG)结构的加工系统,飞秒激光直写加工HPBG结构的流程以及加工的HPBG结构的衍射效率和传输效率被系统的研究。利用搭建的简单的检测光路,检测HPBG结构的菲涅尔衍射光场的图案,分析产生的涡旋光的多级分布、光强分布以及干涉图案,从而证明了单个HPBG结构可以产生分离高纯度的,带有可控拓扑荷的涡旋光以及涡旋光的相位奇点位置。最后,单个HPBG结构可以产生分离高纯度的涡旋光,通过这一特性,进一步研究了闪耀光栅的光栅周期与离散角的关系。设计了双HPBG结构,包括光栅周期(4.06μm),半径(20μm),HPBG结构间的间距(2μm)以及HPBG结构间的旋转方向(一个逆时针旋转60°,另外一个逆时针旋转120°)。通过设计的双HPBG结构实现了涡旋光在结构外固定位置叠加,而没有背景光。分析叠加后的光场图案,得出了复合涡旋光的拓扑荷等于两个涡旋光所带的拓扑荷之和,并且与衍射级方向有关。同理,复合的OAM态由带有不同拓扑荷的涡旋光所决定,而拓扑荷的改变可以仅仅通过转换带有不同拓扑荷的HPBG结构。为了获得更大的OAM,可以集成两个带有小的拓扑荷的HPBG结构。由此证明了方法是稳健的,它不仅克服了传统OAM叠加需要复杂的实验系统等问题,而且有效的产生了带有可控拓扑荷的复合涡旋光。


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