實現(xiàn)渦旋光束及光強圖樣調(diào)制的多孔干涉儀設(shè)計研究.pdf

1、光學(xué)渦旋是指具有螺旋狀波前的特殊光場。渦旋光場中存在光強為零的點,在這點的光場實部和虛部同時為零,相位具有不確定性,我們稱之為渦旋核或相位奇異點。在垂直于光束前進方向的橫截面上,光場的相位隨相對于渦旋核的方位角呈螺旋型變化。環(huán)繞一周,相位的總變化量相對于2?的倍數(shù)叫做該光學(xué)渦旋的拓撲荷。對于相位按與方位角線性增加或減小的光學(xué)渦旋,其所攜帶的每一光子攜帶的軌道角動量和拓撲荷成正比。自發(fā)現(xiàn)以來,光學(xué)渦旋由于其上述相位分布特性以及在動力學(xué)方面

2、的應(yīng)用潛力,得到研究者們的廣泛關(guān)注,并被應(yīng)用于光學(xué)微操縱、材料科學(xué)、原子光學(xué)、信息傳輸、生物醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域。因此,對于光學(xué)渦旋的研究將在其今后應(yīng)用方面具有較大的實際意義。
　　在光學(xué)領(lǐng)域,對多光束干涉的研究一直受到人們的重視。通過對光束位置、夾角、相位以及振幅等的多種調(diào)控,可以實現(xiàn)對所形成光場光強分布精確控制。當(dāng)前,基于小孔對入射光波的選擇透過性的多孔干涉儀,更是由于其簡單的構(gòu)造以及在提供多波面干涉方面的優(yōu)勢更是受到人們的青睞,并

3、被應(yīng)用于光學(xué)渦旋的產(chǎn)生、拓撲荷的探測、光學(xué)格子的形成等領(lǐng)域,成為光學(xué)研究中一個重要的工具。
　　本學(xué)位論文基于多孔干涉儀對入射光波前的調(diào)節(jié),提出了具有螺旋方式排列的小孔陣列。通過對小孔徑向位置的精確調(diào)節(jié),使得從相鄰小孔到觀察屏中心的距離逐漸增加或減小且變化總量為入射光波長的整數(shù)倍,從而導(dǎo)致各自光波的相位均勻延遲或提前。我們使用平面光波照射螺旋多孔屏,在菲涅耳區(qū)的觀察面上得到高階的光學(xué)渦旋;使用渦旋光束照明具有螺旋縫的結(jié)構(gòu),在特定平

4、面獲得對入射拓撲荷的調(diào)制;使用由少量小孔組成的螺旋孔屏,實現(xiàn)了通過觀察面上光強圖樣同時分辨入射渦旋光拓撲荷的大小和符號;通過調(diào)節(jié)六孔干涉儀上小孔的徑向距離,在平面光波入射的情況下得到干涉儀傅里葉平面上的二階渦旋陣列分布;通過調(diào)節(jié)具有等大小孔光子篩上小孔的徑向距離,實現(xiàn)了對光波相位的編碼,并在觀察面獲得特定的任意光強圖樣;使用顯微物鏡和干涉儀結(jié)合的方法,從干涉圖樣中提取了透射型刻劃光柵表面的高度分布。本文共分為七章。
　　第一章對光

5、學(xué)渦旋的研究背景及現(xiàn)狀進行了綜合型描述。主要內(nèi)容包括:光學(xué)渦旋的發(fā)展;光學(xué)渦旋的特性分析,包括渦旋的數(shù)學(xué)描述、所攜帶光子的軌道角動量、渦旋的傳播;光學(xué)渦旋的實驗室產(chǎn)生方法,主要介紹了常用的幾何光學(xué)模式轉(zhuǎn)換法、計算全息法、螺旋相位板法、激光直接輸出法以及多光束干涉法等主要方法;光學(xué)渦旋拓撲荷的探測方法,主要介紹了光學(xué)渦旋與平面光波干涉法、計算全息圖法、干涉儀法及多孔干涉屏法等。
　　第二章對非對稱螺旋多孔屏在高階光學(xué)渦旋產(chǎn)生方面的應(yīng)

6、用進行了研究。我們使用方位角均勻排列的多孔衍射屏,根據(jù)多孔干涉屏上小孔到共軸觀察屏中心處的距離和該小孔到干涉屏中心的面內(nèi)徑向距離之間所具有的二次方關(guān)系,調(diào)節(jié)小孔徑向位置,使得相鄰小孔到觀察屏中心的距離均勻增加或減小且變化總量為波長的整數(shù)倍。這種調(diào)節(jié)導(dǎo)致從各小孔衍射的光波在到達觀察屏?xí)r具有均勻延遲或提前的相位,并且相位差總量為2?的整數(shù)倍。通過這些光波的相互疊加干涉,我們在觀察屏上得到具有高階拓撲荷的光學(xué)渦旋。在理論模擬中,我們闡明了螺旋

7、結(jié)構(gòu)多孔屏的設(shè)計基礎(chǔ),并驗證了這種螺旋機制在渦旋產(chǎn)生方面的可行性;通過多個結(jié)果發(fā)現(xiàn),螺旋孔的具體排列方式,即設(shè)計之時所遵循的總光程調(diào)制量,決定了觀察屏上渦旋拓撲荷的大小和方向;模擬結(jié)果同時表明,多孔屏上小孔的個數(shù)將所能產(chǎn)生的渦旋拓撲荷大小限制在小于或等于小孔個數(shù)的一半。我們發(fā)現(xiàn),螺旋多孔屏能否產(chǎn)生規(guī)則的光學(xué)渦旋,受屏上小孔大小及多孔屏和觀察屏之間距離的影響,越小的小孔越能產(chǎn)生較高質(zhì)量的渦旋。在實驗上,我們通過飛秒激光在延平的易拉罐壁上燒

8、蝕了具有螺旋排列的多孔陣列。當(dāng)平面光波入射時,我們發(fā)現(xiàn)在觀察屏上出現(xiàn)我們預(yù)期的光學(xué)渦旋。實驗結(jié)果和理論模擬相吻合。
　　第三章研究了螺旋縫屏對入射光學(xué)渦旋拓撲荷的調(diào)制作用。通過理論模擬我們發(fā)現(xiàn),當(dāng)渦旋光束照射具有螺旋縫結(jié)構(gòu)的干涉屏后,其衍射光場中的拓撲荷將不同于入射的拓撲荷,并且拓撲荷的變化量決定于螺旋縫的具體結(jié)構(gòu);通過將螺旋縫換做沿縫的多個小孔,我們實現(xiàn)了通過對屏后衍射光強圖樣的不同來同時辨別入射光學(xué)渦旋的拓撲荷大小和符號。同時

9、,我們分析了實際觀察距離和設(shè)定觀察距離的不同對衍射光場的影響。
　　第四章設(shè)計了具有相位編碼的光子篩,并將其應(yīng)用于特定光強圖樣的產(chǎn)生。首先,我們將多個等大小的小孔均勻分布在多圈圍繞干涉屏中心的圓環(huán)上。圓環(huán)與屏中心具有特定的徑向距離,以保證從各圓環(huán)到觀察平面中心的距離之間相差波長的整數(shù)倍,從而消去該多孔屏衍射中的二次菲涅耳衍射因子。然后,我們通過 Gerchberg-Saxton算法進行迭代運算,獲得對應(yīng)于特定光強圖樣的產(chǎn)生各個小孔

10、處光波所需要的相位分布。最后,通過將相應(yīng)的小孔沿徑向偏移其所在的圓環(huán),使其到觀察屏中心的光程發(fā)生相應(yīng)于其所應(yīng)有相位值的變化,得到具有相位編碼的光子篩。在平面波入射這種光子篩后,在觀察平面得到了預(yù)先設(shè)計的光強圖樣。我們分析了圓環(huán)圈數(shù)和小孔個數(shù)對所稱圖樣質(zhì)量的影響。在實驗中,我們自制了三個具有相位調(diào)制的光子篩來作為例子,驗證了這種光子篩在圖樣設(shè)計中的可行性。
　　第五章研究了利用六孔干涉屏產(chǎn)生二階渦旋陣列的方法。我們將兩個具有不同尺寸

11、的正三孔干涉屏疊合,形成對稱六孔干涉屏。通過理論分析,我們預(yù)測了產(chǎn)生二階渦旋陣列時,兩個三孔屏尺寸之間所應(yīng)滿足的比例。在理論上,我們模擬了多種比例條件下,干涉屏傅里葉平面上的光場分布,驗證了這種多孔屏的可行性,并且分析了小孔孔徑對這種機制,特別是對光場光強分布的影響。通過具有比例參數(shù)4:5的六孔干涉儀的制造,我們從實驗上在平面光照明條件下得到了二階渦旋陣列。
　　第六章利用顯微物鏡和干涉儀的結(jié)合,提取了透射型刻劃光柵表面精確的高度