光學(xué)軌道角動(dòng)量測(cè)量技術(shù)研究.pdf

1、以螺旋相位結(jié)構(gòu)為特征的軌道角動(dòng)量（OAM）光束已經(jīng)具有廣泛的應(yīng)用，比如操縱微觀粒子、探測(cè)微粒或者宏觀物體的旋轉(zhuǎn)速度等。特別地，OAM光束在光學(xué)通信和量子信息中得到了越來(lái)越多的關(guān)注。一方面，按照螺旋相位的階數(shù)，可以將OAM光束量化成不同的態(tài)，這些態(tài)是相互正交和共軸的。這個(gè)性質(zhì)使得OAM光束有潛力用于提高光通信系統(tǒng)的性能。特別地，OAM態(tài)可以用作一個(gè)不同的維度，來(lái)作為一組新的數(shù)據(jù)載體。另一方面，通過(guò)多維度的量子糾纏，可以產(chǎn)生超高維度的量子態(tài)

2、。而控制OAM疊加態(tài)為產(chǎn)生和操縱多維任意數(shù)目的量子態(tài)打開(kāi)了一扇全新的門(mén)。
　　明顯地，這些基于OAM的應(yīng)用的一個(gè)最基本的操作就是識(shí)別不同的OAM態(tài)，因此測(cè)量光束的OAM分布對(duì)這些應(yīng)用是至關(guān)重要的。在本論文中，提出了不同的OAM測(cè)量技術(shù)并進(jìn)行了詳細(xì)的分析。概括全文的研究成果和貢獻(xiàn)，有如下幾個(gè)方面：
　　1）提出了基于孔徑衍射和干涉的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)OAM光束模式的識(shí)別?；仡櫫斯鈱W(xué)干涉和衍射的基本理論，包括菲涅爾衍射、夫瑯禾費(fèi)衍射以及

3、數(shù)值仿真方法?；谶@些理論，我們?cè)O(shè)計(jì)了三種不同的孔徑來(lái)識(shí)別OAM光束。首先，我們利用雙縫干涉、矩形縫干涉的條紋彎曲量來(lái)識(shí)別入射光的OAM模式，這個(gè)方案不能區(qū)分混合的模式。其次，利用弧形縫將混合的OAM模式映射到不同的位置，該方案可以區(qū)分混合的模式，但是模式分辨率很低。最后，我們提出了一種動(dòng)態(tài)干涉的方案來(lái)探測(cè)OAM模式。該方案裝置由兩個(gè)不平行的狹縫組成，干涉信號(hào)被光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，可以用數(shù)字系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別。
　　2）利用表面等離

4、子激元（SPPs）波的獨(dú)特性質(zhì)識(shí)別OAM模式。簡(jiǎn)單地介紹了SPPs的基礎(chǔ)知識(shí)，然后基于SPPs設(shè)計(jì)了各種方案來(lái)測(cè)量OAM模式。首先，利用金屬薄膜上SPPs波的雙縫干涉和矩形縫干涉來(lái)探測(cè)入射光的OAM，原理和結(jié)果跟三維空間的雙縫干涉和矩形縫干涉類(lèi)似。其次，利用等離子渦旋棱鏡（PVL）將SPPs波聚焦到任意的位置。進(jìn)一步，將多個(gè)PVL結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)SPPs的多點(diǎn)聚焦。這些焦點(diǎn)可以通過(guò)改變?nèi)肷涞腛AM模式自由地控制，這些特點(diǎn)可以用于OA

5、M探測(cè)。最后，利用一個(gè)PVL結(jié)構(gòu)將不同的OAM模式映射到不同的貝塞爾函數(shù)。通過(guò)將SPPs的干涉圖重新分解成這些貝塞爾函數(shù)，可以同時(shí)恢復(fù)入射OAM模式的相對(duì)幅度和相對(duì)相位分布。
　　3）基于坐標(biāo)變換理論實(shí)現(xiàn)了對(duì)OAM光束的操控，包括OAM模式測(cè)量、OAM模斑旋轉(zhuǎn)等等。詳細(xì)地總結(jié)了光學(xué)坐標(biāo)變換的理論基礎(chǔ)?；谠摾碚?，首先，我們提出了一種利用壓縮變換測(cè)量OAM光束的方法。入射的OAM光束被單向地壓縮成一個(gè)線性光束，因此光束的上半部分和下

6、半部分會(huì)重疊，在近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)都可以形成一個(gè)具有明顯可識(shí)別特征的干涉條紋。其次，我們利用直角-對(duì)數(shù)型極坐標(biāo)變換以及逆變換來(lái)按比例地縮小光束的OAM。進(jìn)一步地，該方案可以拓展至按任意整數(shù)均分和按任意比例劃分光束OAM。之后，利用同樣的坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)了光束任意角度的旋轉(zhuǎn)，該光束旋轉(zhuǎn)器具有靈活，非機(jī)械調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)。最后，利用所提的光束旋轉(zhuǎn)器，設(shè)計(jì)了一種OAM功率譜分析儀，該方案可以精確地測(cè)量出混合OAM模式的功率分布。
　　4）提出了旋轉(zhuǎn)多普勒

7、效應(yīng)的解析模型，并基于該模型開(kāi)發(fā)了一種OAM復(fù)譜儀和偏振分析儀?；谀Ｊ秸归_(kāi)方法，對(duì)旋轉(zhuǎn)多普勒效應(yīng)提出了一種全新的理論模型?；谠摾碚撃Ｐ?，設(shè)計(jì)了一種基于旋轉(zhuǎn)多普勒效應(yīng)的OAM復(fù)譜分析儀。該裝置可以同時(shí)測(cè)量出OAM模式的幅度分布和相位分布。這些成果極大地促進(jìn)了空間模式分析的發(fā)展，有潛力被廣泛地用于光學(xué)通信系統(tǒng)，特別是模式復(fù)用系統(tǒng)。隨后，我們利用所提的OAM復(fù)譜分析儀設(shè)計(jì)了一種偏振分析儀，來(lái)分析光束的偏振態(tài)。對(duì)比于傳統(tǒng)的方案，該方案只需要