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光学涡旋场的生成及其角动量特性研究

刘轩  
【摘要】:光学涡旋(Optical Vortices)是近年来受到重视并被广泛研究的一种重要光场。光学涡旋具有特殊的波前结构和确定的光子轨道角动量,现在已经在光学微操纵、原子光学、生物医学、非线性光学、光学信息传输等领域得到了重要而广泛的应用。本论文重点对光学涡旋的轨道角动量特性及其应用进行了较详细研究,实验研究了应用液晶空间光调制器产生光学涡旋的方法。 全文共分为五章: 第一章:概述了光学涡旋的发展历史及其应用,并说明了本论文所要研究的主要问题及研究结果。 第二章:论述了光学涡旋的基本理论。从数学上明确光学涡旋的定义和描述,在近轴和离轴两种情况下理论推导光学涡旋的角动量,证明了光学涡旋具有确定的轨道角动量;然后介绍了测量光学涡旋轨道角动量的实验;对光学涡旋轨道和自旋角动量在不同环境下向物体的传递作了系统介绍,并分析了光学涡旋的力学效应;最后对光学涡旋在自由空间和非线性介质中的传播作了介绍。这些研究为深入了解光学涡旋奠定了理论基础。 第三章:归纳总结了产生光学涡旋的常用方法,包括:几何光学模式变换法,分别利用螺旋波面计算全息图、螺旋相位波片、可编程空间光调制器的产生方法,以及通过特殊设计的激光器直接输出光学涡旋的方法。这些研究为后面设计产生高质量光学涡旋的实验奠定了基础。 第四章:分析常用干涉型计算全息图产生光学涡旋的光场分布特性,提出采用环带结构的计算全息图消除次级衍射环噪声的方法。以再现光学涡旋主环的相对强度取最大为判据,确定了最佳环带半径与全息图大小和再现光学涡旋的拓扑荷之间的定量关系,给出了具有最佳环带结构的计算全息图的设计实例,通过实验结果证明这种方法的可行性,所获得的光学涡旋其外围次


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