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贝塞尔-高斯涡旋光束相位奇点演化机理及调控研究.pdf

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目录

摘要I

AbstractIII

第一章绪论1

1.1贝塞尔-高斯涡旋光束概述2

1.2相位奇点研究背景3

1.3交叉相位研究背景4

1.4本文主要研究内容和创新点5

第二章基本理论和方法7

2.1部分相干光束随机模式数值仿真方法介绍7

2.2自由空间光束传输理论介绍10

2.2.1惠更斯-菲涅尔衍射积分公式11

2.2.2柯林斯衍射积分方法13

2.2.3角谱传输理论14

2.3相位奇点搜寻方法介绍15

2.4本章小结17

第三章贝塞尔-高斯涡旋光束相位传输演化机理研究19

3.1引言19

3.2完全相干贝塞尔-高斯涡旋光束19

3.2.1携带交叉相位的光束理论模型19

3.2.2相位传输演化理论结果及分析20

3.3部分相干贝塞尔-高斯涡旋光束22

3.3.1携带交叉相位的光束理论模型22

3.3.2相位传输演化理论结果及分析23

3.4本章小结27

第四章贝塞尔-高斯涡旋光束相位奇点三维空间演化调控研究29

4.1引言29

4.2相位奇点空间演化分布定性调控研究29

4.3相位奇点空间演化分布定量调控研究31

4.4本章小结35

第五章总结与展望37

5.1全文总结37

5.2未来展望37

参考文献39

致谢51

攻读学位期间发表的学术论著53

摘要

涡旋光束具有螺旋结构波前并携带轨道角动量,在光通信、微粒操控、生物显微成

像等众多领域有着重要应用。该光束的中心相位具有不确定性,通常被称为相位奇点,

其可引发光束在该点光强值为零,光束光强呈现甜甜圈分布。随着相干性的降低,完全

相干涡旋光束退化为部分相干涡旋光束,其中心光强会逐渐提高导致暗核消失,而传统

的相位奇点则退化为相干奇点。后者在数学上定义为:部分相干光束特征函数—交叉谱

密度函数/相干度函数的实部和虚部同时为零。对涡旋光束相位奇点/相干奇点的精确操

控,在可自定义路径微粒操控、光通信、信息传输、拓扑光子学等领域有着重要应用。

得益于空间光调制器的先进技术,研究者们已经能够精确设计并实现多相位奇点阵列分

布的定制,但是大多数研究局限于二维平面,对于相位奇点在三维空的演化轨迹调控鲜

有报道。

贝塞尔-高斯涡旋光束,作为一种典型的涡旋光束,凭借其无衍射特性和自愈性,在

光学微操纵、光学加工、显微成像等多个领域都展现出了巨大的能力。然而,在实际传

输过程中,贝塞尔-高斯涡旋光束的相位奇点往往会随着相干性的降低和传输距离的增加

而逐渐消失,使得相位奇点的识别和调控变得困难。在另外一方面,交叉相位作为典型

的像散相位,已报道在拓扑荷检测、光束旋转、自聚焦、光束整形、鲁棒远场光学成像

等领域具有重要应用。然而,过去基于交叉相位的调控研究大多局限于光强、偏振、相

干结构等方面,而交叉相位在光束相位调控方面的研究尚未开展。

针对上述科学问题,我们在本文中提出了一种新的方案:利用交叉相位来调控完全

相干/部分相干贝塞尔-高斯涡旋光束相位奇点/相干奇点的分布,进一步实现对完全相干贝

塞尔-高斯涡旋光束相位奇点三维空间演化轨迹的调控。首先,本文探讨了完全相干/部分

相干贝塞尔-高斯涡旋光束相位传输的内在机制。研究表明:完全相干/部分相干贝塞尔-高

斯涡旋光束的高阶相位奇点/相干奇点不稳定,在交叉相位的影响下,会分裂成多个独立

的基阶相位奇点/相干奇点。值得注意的是:由于拓扑荷是一个不变量,因此这些分散的

基阶相位奇点/相干奇点的数量与涡旋光束的拓扑荷相等。此外,本文还进一步研究了完

全相干贝塞尔-高斯光束相位奇点在三维空间中的演化过程,并发现通过调控交叉相位可

以实现对相位奇点演化轨迹的精确调控。这一调控方案不仅限于相位奇点的偏移量,还

包括对其旋转角度的精细调整。这一新视角为我们理解贝塞尔-高斯涡旋光束的传播特性

提供了独特的见解,并为我们灵活调控相

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