无旁瓣光学涡旋阵列的研究

Optical vortices is a special type of optical fields with helical phase wavefront. For such beams, each photon can carry a well-defined orbital angular momentum. We will propose the mechanism and methods for the generation of high-quality and sidelobe-free optical vortex arrays based on object-oriented Fourier computer-generated holography, for the application requirements in fields of micro manipulation, quantum computation and encoding, optical communication. In the project, the following topics will be researched, the spatial distribution structure and formation mechanism of optical vortex arrays; the generation mechanism of sidelobe-free optical vortex arrays; the construction of photoelectric experiment system for the generation of optical vortex arrays; the propagation characteristics of optical vortex arrays in free-space and transmission characteristics test of vortex beams in optical fiber. The computer-generated holograms are encoded from object optical vortex arrays based on conjugate-symmetric extension Fourier computer generated holography and loaded to the spatial light modulator for optoelectronic reconstruction of optical vortex arrays. The researched high-quality and flexibly controllable vortex beams will greatly expand the applications fields of optical vortices.

光学涡旋是具有螺旋型相位波前的特殊光场，光束中每个光子均携带确定的轨道角动量。本项目基于面向目标的傅里叶计算全息，提出高质量无旁瓣光学涡旋阵列（简称光涡阵列）的产生机理和方法，以满足涡旋光束在微操控、量子计算与编码以及光通信等领域的应用需求。研究内容主要包括：光涡阵列的空间分布结构和形成机理；无旁瓣光学涡旋阵列的产生机理；产生光涡阵列的光电实验系统的实现；光涡阵列的自由空间传输特性以及光涡在光纤中的传输特性测试。该研究基于共轭对称延拓傅里叶计算全息，根据目标光涡阵列编码生成计算全息图，并加载到空间光调制器上以光电产生光涡阵列。本项目研究成果所提供的高质量、灵活可控的涡旋光束将大大拓展光涡的应用领域。

光学涡旋是一种具有螺旋型相位波前的特殊光场，其中每个光子携带确定大小的轨道角动量，这一特性使其在微操控、光通信等领域具有广泛的应用，而高质量涡旋光束的产生是光学涡旋得到良好应用的基础。.项目提出了高质量无旁瓣光学涡旋阵列的产生方法，从理论上研究了光学涡旋阵列的形成机理和分布特征，并基于面向目标的共轭对称延拓傅里叶计算全息方法编码生成光学涡旋阵列的全息图，再利用单个反射式空间光调制器光电再现了与理论一致的光学涡旋阵列，并通过马赫-增德尔干涉法对生成的光学涡旋阵列进行干涉验证。.项目提出了复合涡旋光束的产生方法，利用束腰半径相同，拓扑电荷数不同的多束拉盖尔高斯涡旋光束共轴叠加，产生了多种结构与形态分布的复合涡旋光束，包括光环晶格、双暗环晶格、双亮环晶格以及复合光环晶格等，揭示了拓扑电荷数的变化对于光环晶格的光束分布的影响。.项目研究了拉盖尔高斯涡旋光束的尺寸特性，基于郎伯W函数，给出了涡旋光束内外径的一般解析式，揭示了拉盖尔高斯涡旋光束内外径的基本性质。.项目提出了产生完美涡旋光束的新方法，基于贝塞尔高斯涡旋光束傅里叶变换的特性，从理论上分析了完美涡旋光束的产生原理，利用生成的全息图加载于空间光调制器，在透镜的焦点处光电再现了完美涡旋光束，完美涡旋光束的尺寸灵活可控，光环大小不受拓扑电荷变化的影响。.项目提出了新型的基于共轭对称延拓傅里叶计算全息的光学涡旋检测方法，通过衍射光场高斯点位置判断入射光场拓扑荷大小，对于大拓扑荷光学涡旋与多拓扑荷复合光涡的检测有着重要意义。.项目提出了一种基于共轭对称延拓傅里叶计算全息的光学涡旋阵列编码/解码通信系统，实验传输了一幅32×32像素点Lena图像，实现了自由空间的编码/解码通信。.项目通过在计算全息图中引入数字闪耀叉型光栅技术，提出了一种有效改善涡旋光束质量及其衍射能效的新方法。基于OFDM 16-QAM，项目分别实现了涡旋光束和完美涡旋光束的多路复用的自由空间光通信。.项目搭建了基于空间光调制器的光学涡旋微操控实验系统，实现了对二氧化硅微粒、宫颈癌细胞和膀胱癌细胞的捕获和操控。项目研究了幂指数光学涡旋和梯度光场的产生方法，并实现了微粒的捕获、操控和搬移。.项目研究了圆形艾里涡旋光的产生、传输、深聚焦特性以及微粒所受光学力的分析，搭建了基于圆形艾里涡旋光的微粒操控系统，实现了二氧化硅颗粒的捕获和旋转。