雙渦旋光斑隨傳輸距離演變實(shí)驗(yàn)分析

陳亞群,孫 奎,陳建飛,張 勝

(南京郵電大學(xué)光電工程學(xué)院,南京 210046)

雙渦旋光斑隨傳輸距離演變實(shí)驗(yàn)分析

陳亞群,孫 奎,陳建飛,張 勝

(南京郵電大學(xué)光電工程學(xué)院,南京 210046)

渦旋光束攜帶的軌道角動(dòng)量可以傳遞給粒子實(shí)現(xiàn)對(duì)粒子的微操控,利用軌道角動(dòng)量可以對(duì)信息進(jìn)行編碼實(shí)現(xiàn)自由空間光通信,因而渦旋光的傳輸特性成為了近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。根據(jù)ABCD光學(xué)矩陣原理對(duì)雙渦旋光束的光強(qiáng)表達(dá)式進(jìn)行了推導(dǎo),利用MATLAB軟件對(duì)內(nèi)外環(huán)拓?fù)浜芍禐檎麛?shù)且保持不變的雙渦旋光束傳輸特性進(jìn)行了仿真研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,傳輸過(guò)程中光斑中心的暗核能夠完整地保留下來(lái),且不會(huì)影響渦旋光束的軌道角動(dòng)量。這表明雙渦旋光束在傳輸過(guò)程中具有穩(wěn)定性,適用于自由空間的光學(xué)通信系統(tǒng)。

雙渦旋光束;傳輸特性;光強(qiáng)分布;穩(wěn)定性

0 引 言

渦旋光束的波前分布呈螺旋結(jié)構(gòu),其相位的不確定使得光束中心區(qū)域在傳輸過(guò)程中會(huì)形成奇點(diǎn),在相位奇點(diǎn)處光強(qiáng)為零,無(wú)加熱和衍射效應(yīng)。隨著對(duì)渦旋光束研究的深入,渦旋光束的產(chǎn)生、傳輸與應(yīng)用成為近年來(lái)光學(xué)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。目前渦旋光束的產(chǎn)生方法主要有螺旋相位板法、全息圖法和空間光調(diào)制器法[1]。渦旋光束可對(duì)微粒進(jìn)行操控,在信息處理、光學(xué)通信以及量子計(jì)算等方面都有較好的發(fā)展前景。此外,相對(duì)于單束渦旋光束,多渦旋光束能攜帶多個(gè)軌道角動(dòng)量,傳輸?shù)男畔⒘扛?穩(wěn)定性更高,衍射更低[2-3]。

本文在單渦旋光束傳輸[4]的基礎(chǔ)上對(duì)整數(shù)階雙渦旋光束傳輸中的光強(qiáng)對(duì)稱(chēng)性及中心暗斑的完整性做了進(jìn)一步的研究分析,理論推導(dǎo)和仿真發(fā)現(xiàn):整數(shù)階雙渦旋光束在傳輸中的光強(qiáng)能保留原來(lái)的對(duì)稱(chēng)性,中心暗斑未發(fā)生畸變,兩束渦旋之間的距離隨傳輸距離的增大而增大。相對(duì)于單渦旋光束,整數(shù)階雙渦旋光束在傳輸過(guò)程中具有更高的穩(wěn)定性,由于攜帶了更多的軌道角動(dòng)量從而能夠傳輸更多的信息,因而更加適用于自由空間光學(xué)通信系統(tǒng)。

1 雙渦旋光束的傳輸特性

本文采用兩束單渦旋光束進(jìn)行相干疊加形成雙渦旋光束,以LG(拉蓋爾―高斯)光束為例來(lái)推導(dǎo)雙渦旋光束的傳輸特性。假設(shè)該LG光束帶有的相位因子為exp(i l1θ1),則該光束的光強(qiáng)為

式中,A0為振幅,一般取值為常數(shù);r為光源平面位置矢量的模;φ為方位角;θ為旋轉(zhuǎn)方位角;ω0為高斯光束的束腰半徑。該光束與另外一束相位因子為exp(i l2θ2)的LG光束在初始平面(z=0)處相干疊加后形成的雙渦旋光束的電場(chǎng)分布為

式中,k為波矢;E為初始平面雙渦旋的電場(chǎng)分布;ρ為極坐標(biāo)參數(shù)。將式(1)代入式(2)可得

根據(jù)貝塞爾函數(shù)的性質(zhì)可知

式中,Jm為m階貝塞爾函數(shù)?？梢缘玫絃G光經(jīng)過(guò)傳輸距離z后在接收平面的光場(chǎng)為

2 數(shù)值計(jì)算與仿真

為了清楚地觀測(cè)雙渦旋傳輸?shù)墓獍哐葑冃再|(zhì),

分別取l1=1、l2=7,并保持不變進(jìn)行模擬,主要參數(shù)為:波長(zhǎng)λ=632.8 n m,束腰半徑ω0=0.5 mm,偏離渦旋光束中心橫向距離z分別為0.3、0.5和0.8 m,利用MATLAB軟件進(jìn)行仿真,圖1所示為雙渦旋光束在源平面及目標(biāo)平面的光強(qiáng)分布圖。

圖1 雙渦旋光束在源平面以及目標(biāo)平面的光強(qiáng)分布圖

表1所示為仿真過(guò)程中不同位置的相對(duì)光強(qiáng)值。圖2所示為雙渦旋光束在源平面以及目標(biāo)平面的相對(duì)光強(qiáng)縱向分布曲線圖。

表1 源平面以及目標(biāo)平面各位置的相對(duì)光強(qiáng)分布

圖2 雙渦旋光束在源平面以及目標(biāo)平面的相對(duì)光強(qiáng)分布曲線圖

由表1和圖2可知,根據(jù)衍射效應(yīng),雙渦旋光束的光斑存在一定程度的展寬,但傳輸過(guò)程中光強(qiáng)仍然保持中心對(duì)稱(chēng)分布,中央的暗斑得到了完整保留,表明整數(shù)階雙渦旋光束在傳輸過(guò)程中相位奇點(diǎn)具有相對(duì)穩(wěn)定性。只有在兩束渦旋光同時(shí)為暗斑的地方在圖中才能顯示為暗斑,只有一束為暗斑的區(qū)域表現(xiàn)為亮環(huán),而兩束渦旋均為亮環(huán)的區(qū)域光強(qiáng)更強(qiáng),也驗(yàn)證了雙渦旋在相互傳輸過(guò)程中內(nèi)外環(huán)保持相互獨(dú)立。由仿真結(jié)果可知,整數(shù)階雙渦旋光束在傳輸過(guò)程中光斑中心的暗核保留完整,中心對(duì)稱(chēng)的光強(qiáng)保持不變,相位奇點(diǎn)完整的保留下來(lái),且不會(huì)影響渦旋光束的軌道角動(dòng)量。這表明雙渦旋光束在傳輸過(guò)程中穩(wěn)定性較高,相對(duì)于單渦旋光束,其在自由空間光學(xué)通信系統(tǒng)中能夠得到更好的應(yīng)用。

3 結(jié)束語(yǔ)

利用光學(xué)矩陣推導(dǎo)了整數(shù)階雙渦旋光束在傳輸過(guò)程中的光強(qiáng)分布表達(dá)式,理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)表明,雙渦旋光束在傳輸過(guò)程中依舊能夠保留完整的光環(huán),且不會(huì)影響軌道角動(dòng)量,表明在利用軌道角動(dòng)量的自由空間光學(xué)通信系統(tǒng)中,雙渦旋光束具有更高的穩(wěn)定性和可行性。

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Analysis of the Evolution of Double-Vortex Beam Spot with the Transmission Distance

CHEN Ya-qun,SUN Kui,CHEN Jian-fei,ZHANG Shen
(School of Optoelectronic Engineering,Nanjing University of Posts&Telecommunications,Nanjing 210046,China)

The orbital angular momentum of vortex beams can be used to realize micromanipulation of the particles.It can also encode the particles to realize free space optical communication.Because of its wide potential applications,the characteristics of vortex beams have become a hot topic in recent years.In this paper,the propagation characteristic of integer order double-vortex beam is studied.The propagation expression of double-vortex beam is derived by using ABCD optical matrix firstly.Then under the condition of same topological charges,the evolution of double-vortex beam spotwith transmission distanceis observed by MATLAB software.The simulation results show that the spotcharacteristics of double-vortex beam can be preserved after propagation without affecting the orbital angular.It shows that the double-vortex beam is stable in the process of transmission,which is suitable for free-space optical communication system.

double-vortex beam;propagation characteristic;light distribution;stability

TN012

A

1005-8788(2016)06-0023-03

10.13756/j.gtxyj.2016.06.006

2016-06-29

江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(BK20160901)

陳亞群(1990―),男,江蘇南京人。碩士研究生,主要研究方向?yàn)闇u旋光束的傳輸特性。

張勝,教授。E-mail:447415537@qq.com