無旁瓣光學渦旋陣列的研究

《無旁瓣光學渦旋陣列的研究》是依託上海大學，由黃素娟擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：無旁瓣光學渦旋陣列的研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：黃素娟
• 依託單位：上海大學

中文摘要

光學渦旋是具有螺旋型相位波前的特殊光場，光束中每個光子均攜帶確定的軌道角動量。本項目基於面向目標的傅立葉計算全息，提出高質量無旁瓣光學渦旋陣列（簡稱光渦陣列）的產生機理和方法，以滿足渦旋光束在微操控、量子計算與編碼以及光通信等領域的套用需求。研究內容主要包括：光渦陣列的空間分布結構和形成機理；無旁瓣光學渦旋陣列的產生機理；產生光渦陣列的光電實驗系統的實現；光渦陣列的自由空間傳輸特性以及光渦在光纖中的傳輸特性測試。該研究基於共軛對稱延拓傅立葉計算全息，根據目標光渦陣列編碼生成計算全息圖，並載入到空間光調製器上以光電產生光渦陣列。本項目研究成果所提供的高質量、靈活可控的渦旋光束將大大拓展光渦的套用領域。

結題摘要

光學渦旋是一種具有螺旋型相位波前的特殊光場，其中每個光子攜帶確定大小的軌道角動量，這一特性使其在微操控、光通信等領域具有廣泛的套用，而高質量渦旋光束的產生是光學渦旋得到良好套用的基礎。 項目提出了高質量無旁瓣光學渦旋陣列的產生方法，從理論上研究了光學渦旋陣列的形成機理和分布特徵，並基於面向目標的共軛對稱延拓傅立葉計算全息方法編碼生成光學渦旋陣列的全息圖，再利用單個反射式空間光調製器光電再現了與理論一致的光學渦旋陣列，並通過馬赫-增德爾干涉法對生成的光學渦旋陣列進行干涉驗證。 項目提出了複合渦旋光束的產生方法，利用束腰半徑相同，拓撲電荷數不同的多束拉蓋爾高斯渦旋光束共軸疊加，產生了多種結構與形態分布的複合渦旋光束，包括光環晶格、雙暗環晶格、雙亮環晶格以及複合光環晶格等，揭示了拓撲電荷數的變化對於光環晶格的光束分布的影響。 項目研究了拉蓋爾高斯渦旋光束的尺寸特性，基於郎伯W函式，給出了渦旋光束內外徑的一般解析式，揭示了拉蓋爾高斯渦旋光束內外徑的基本性質。 項目提出了產生完美渦旋光束的新方法，基於貝塞爾高斯渦旋光束傅立葉變換的特性，從理論上分析了完美渦旋光束的產生原理，利用生成的全息圖載入於空間光調製器，在透鏡的焦點處光電再現了完美渦旋光束，完美渦旋光束的尺寸靈活可控，光環大小不受拓撲電荷變化的影響。 項目提出了新型的基於共軛對稱延拓傅立葉計算全息的光學渦旋檢測方法，通過衍射光場高斯點位置判斷入射光場拓撲荷大小，對於大拓撲荷光學渦旋與多拓撲荷複合光渦的檢測有著重要意義。 項目提出了一種基於共軛對稱延拓傅立葉計算全息的光學渦旋陣列編碼/解碼通信系統，實驗傳輸了一幅32×32像素點Lena圖像，實現了自由空間的編碼/解碼通信。 項目通過在計算全息圖中引入數字閃耀叉型光柵技術，提出了一種有效改善渦旋光束質量及其衍射能效的新方法。基於OFDM 16-QAM，項目分別實現了渦旋光束和完美渦旋光束的多路復用的自由空間光通信。 項目搭建了基於空間光調製器的光學渦旋微操控實驗系統，實現了對二氧化矽微粒、宮頸癌細胞和膀胱癌細胞的捕獲和操控。項目研究了冪指數光學渦旋和梯度光場的產生方法，並實現了微粒的捕獲、操控和搬移。 項目研究了圓形艾里渦旋光的產生、傳輸、深聚焦特性以及微粒所受光學力的分析，搭建了基於圓形艾里渦旋光的微粒操控系統，實現了二氧化矽顆粒的捕獲和旋轉。