陳亞群,孫 奎,陳建飛,張 勝

(南京郵電大學光電工程學院,南京 210046)

雙渦旋光斑隨傳輸距離演變實驗分析

陳亞群,孫 奎,陳建飛,張 勝

(南京郵電大學光電工程學院,南京 210046)

渦旋光束攜帶的軌道角動量可以傳遞給粒子實現(xiàn)對粒子的微操控,利用軌道角動量可以對信息進行編碼實現(xiàn)自由空間光通信,因而渦旋光的傳輸特性成為了近年來的研究熱點。根據(jù)ABCD光學矩陣原理對雙渦旋光束的光強表達式進行了推導,利用MATLAB軟件對內外環(huán)拓撲荷值為整數(shù)且保持不變的雙渦旋光束傳輸特性進行了仿真研究。實驗結果表明,傳輸過程中光斑中心的暗核能夠完整地保留下來,且不會影響渦旋光束的軌道角動量。這表明雙渦旋光束在傳輸過程中具有穩(wěn)定性,適用于自由空間的光學通信系統(tǒng)。

雙渦旋光束;傳輸特性;光強分布;穩(wěn)定性

0 引 言

渦旋光束的波前分布呈螺旋結構,其相位的不確定使得光束中心區(qū)域在傳輸過程中會形成奇點,在相位奇點處光強為零,無加熱和衍射效應。隨著對渦旋光束研究的深入,渦旋光束的產(chǎn)生、傳輸與應用成為近年來光學研究領域的熱點。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制器法[1]。渦旋光束可對微粒進行操控,在信息處理、光學通信以及量子計算等方面都有較好的發(fā)展前景。此外,相對于單束渦旋光束,多渦旋光束能攜帶多個軌道角動量,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]的基礎上對整數(shù)階雙渦旋光束傳輸中的光強對稱性及中心暗斑的完整性做了進一步的研究分析,理論推導和仿真發(fā)現(xiàn):整數(shù)階雙渦旋光束在傳輸中的光強能保留原來的對稱性,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。相對于單渦旋光束,整數(shù)階雙渦旋光束在傳輸過程中具有更高的穩(wěn)定性,由于攜帶了更多的軌道角動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行相干疊加形成雙渦旋光束,以LG(拉蓋爾―高斯)光束為例來推導雙渦旋光束的傳輸特性。假設該LG光束帶有的相位因子為exp(i l1θ1),則該光束的光強為

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分布為

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

根據(jù)貝塞爾函數(shù)的性質可知

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

2 數(shù)值計算與仿真

為了清楚地觀測雙渦旋傳輸?shù)墓獍哐葑冃再|,

分別取l1=1、l2=7,并保持不變進行模擬,主要參數(shù)為:波長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軟件進行仿真,圖1所示為雙渦旋光束在源平面及目標平面的光強分布圖。

圖1 雙渦旋光束在源平面以及目標平面的光強分布圖

表1所示為仿真過程中不同位置的相對光強值。圖2所示為雙渦旋光束在源平面以及目標平面的相對光強縱向分布曲線圖。

表1 源平面以及目標平面各位置的相對光強分布

圖2 雙渦旋光束在源平面以及目標平面的相對光強分布曲線圖

由表1和圖2可知,根據(jù)衍射效應,雙渦旋光束的光斑存在一定程度的展寬,但傳輸過程中光強仍然保持中心對稱分布,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程中相位奇點具有相對穩(wěn)定性。只有在兩束渦旋光同時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)域光強更強,也驗證了雙渦旋在相互傳輸過程中內外環(huán)保持相互獨立。由仿真結果可知,整數(shù)階雙渦旋光束在傳輸過程中光斑中心的暗核保留完整,中心對稱的光強保持不變,相位奇點完整的保留下來,且不會影響渦旋光束的軌道角動量。這表明雙渦旋光束在傳輸過程中穩(wěn)定性較高,相對于單渦旋光束,其在自由空間光學通信系統(tǒng)中能夠得到更好的應用。

3 結束語

利用光學矩陣推導了整數(shù)階雙渦旋光束在傳輸過程中的光強分布表達式,理論分析和仿真實驗表明,雙渦旋光束在傳輸過程中依舊能夠保留完整的光環(huán),且不會影響軌道角動量,表明在利用軌道角動量的自由空間光學通信系統(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

江蘇省自然科學基金資助項目(BK20160901)

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

張勝,教授。E-mail:447415537@qq.com