光學軌道角動量測量技術研究.pdf

1、以螺旋相位結構為特征的軌道角動量（OAM）光束已經(jīng)具有廣泛的應用，比如操縱微觀粒子、探測微粒或者宏觀物體的旋轉速度等。特別地，OAM光束在光學通信和量子信息中得到了越來越多的關注。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)可以用作一個不同的維度，來作為一組新的數(shù)據(jù)載體。另一方面，通過多維度的量子糾纏，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)打開了一扇全新的門。
　　明顯地，這些基于OAM的應用的一個最基本的操作就是識別不同的OAM態(tài)，因此測量光束的OAM分布對這些應用是至關重要的。在本論文中，提出了不同的OAM測量技術并進行了詳細的分析。概括全文的研究成果和貢獻，有如下幾個方面：
　　1）提出了基于孔徑衍射和干涉的方法實現(xiàn)對OAM光束模式的識別?；仡櫫斯鈱W干涉和衍射的基本理論，包括菲涅爾衍射、夫瑯禾費衍射以及

3、數(shù)值仿真方法?；谶@些理論，我們設計了三種不同的孔徑來識別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識別入射光的OAM模式，這個方案不能區(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，我們提出了一種動態(tài)干涉的方案來探測OAM模式。該方案裝置由兩個不平行的狹縫組成，干涉信號被光電探測器轉換成電信號，可以用數(shù)字系統(tǒng)自動識別。
　　2）利用表面等離

4、子激元（SPPs）波的獨特性質(zhì)識別OAM模式。簡單地介紹了SPPs的基礎知識，然后基于SPPs設計了各種方案來測量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探測入射光的OAM，原理和結果跟三維空間的雙縫干涉和矩形縫干涉類似。其次，利用等離子渦旋棱鏡（PVL）將SPPs波聚焦到任意的位置。進一步，將多個PVL結構結合在一起，實現(xiàn)SPPs的多點聚焦。這些焦點可以通過改變?nèi)肷涞腛AM模式自由地控制，這些特點可以用于OA

5、M探測。最后，利用一個PVL結構將不同的OAM模式映射到不同的貝塞爾函數(shù)。通過將SPPs的干涉圖重新分解成這些貝塞爾函數(shù)，可以同時恢復入射OAM模式的相對幅度和相對相位分布。
　　3）基于坐標變換理論實現(xiàn)了對OAM光束的操控，包括OAM模式測量、OAM模斑旋轉等等。詳細地總結了光學坐標變換的理論基礎?；谠摾碚?，首先，我們提出了一種利用壓縮變換測量OAM光束的方法。入射的OAM光束被單向地壓縮成一個線性光束，因此光束的上半部分和下

6、半部分會重疊，在近場和遠場都可以形成一個具有明顯可識別特征的干涉條紋。其次，我們利用直角-對數(shù)型極坐標變換以及逆變換來按比例地縮小光束的OAM。進一步地，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，利用同樣的坐標變換實現(xiàn)了光束任意角度的旋轉，該光束旋轉器具有靈活，非機械調(diào)節(jié)的優(yōu)點。最后，利用所提的光束旋轉器，設計了一種OAM功率譜分析儀，該方案可以精確地測量出混合OAM模式的功率分布。
　　4）提出了旋轉多普勒

7、效應的解析模型，并基于該模型開發(fā)了一種OAM復譜儀和偏振分析儀。基于模式展開方法，對旋轉多普勒效應提出了一種全新的理論模型?；谠摾碚撃Ｐ停O計了一種基于旋轉多普勒效應的OAM復譜分析儀。該裝置可以同時測量出OAM模式的幅度分布和相位分布。這些成果極大地促進了空間模式分析的發(fā)展，有潛力被廣泛地用于光學通信系統(tǒng)，特別是模式復用系統(tǒng)。隨后，我們利用所提的OAM復譜分析儀設計了一種偏振分析儀，來分析光束的偏振態(tài)。對比于傳統(tǒng)的方案，該方案只需要