一种产生时空相干涡旋和时空位错的方法技术

本发明专利技术涉及光学技术领域，具体是一种产生时空相干涡旋和时空位错的方法，首先，将部分相干脉冲光束(PCPB)的交叉谱密度函数表示为多个空间频率域本征函数的非相干叠加；然后利用傅里叶变换得到PCPB的互相干函数表达式，并将该表达式表示为多个空间时间域本征函数的非相干叠加；然后将时空涡旋相位加载到时间空间域的本征函数中，得到具有时空涡旋相位PCPB的互相干函数的解析表达式；然后让具有时空涡旋相位PCPB互相干函数的实部和虚部分别等于零；最后产生时空相干涡旋和时空位错的位置位于实部和虚部均为零处，即产生时空相干涡旋和时空位错。该方法通过构建一种具有时空相干涡旋的部分相干脉冲光源，非常方便地对时空相干涡旋和时空位错进行动态调控。涡旋和时空位错进行动态调控。涡旋和时空位错进行动态调控。

【技术实现步骤摘要】
一种产生时空相干涡旋和时空位错的方法


[0001]本专利技术涉及光学
，特别涉及一种产生时空相干涡旋和时空位错的方法。

技术介绍

[0002]光束的轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)调控是近年来激光
的前沿热点。通过对光束OAM自由度的按需调控获得各种各样的结构光束，在光通信、激光加工、光镊、激光雷达、空间探测等领域有着巨大的应用潜力。
[0003]传统的OAM调控主要是对稳态光束纵向OAM的调控，近来，随着超短脉冲激光技术的发展，OAM调控获得突破性的进展，詹其文教授团队将超短脉冲光束的时间域调控和空间光场调控创造性地结合起来，首次从理论到实验展示了具有时空涡旋相位并携带横向OAM的新型光束，开创了一个全新的OAM自由度，在光通信、光信息处理、量子光学、粒子操控、新型能源、相对论空间物理等领域具有重要的潜在研究和应用价值。不同于纵向OAM光束的OAM矢量平行于光束传播方向，横向OAM光束的OAM矢量垂直于光束传播方向。由于该光束本质上是多色光波包，一般又被称为“时空涡旋”。事实上，这种横向涡旋在自然界和科学中很常见，如热带气旋、龙卷风、磁性纳米线中涡旋畴壁的运动等。最近，万晨皓等人基于麦克斯韦方程组和光学保角变换，在光学领域实现了优美的涡环结构。陆延青教授团队借助色散工程实现了无时间衍射且拓扑荷大于100的横向OAM光束。刘军研究员团队根据衍射理论用“分步法”生成了横向OAM光束。
[0004]然而，上述研究限于完全相干光束范畴，没有考虑光束的部分相干性限制了该领域的快速发展。
[0005]在实际的应用中，理想的完全相干光是不存在的，人们常见的光源都是部分相干光。根据光的相干理论，光源的部分相干性会对光束的远场强度分布、偏振分布和成像质量等都会产生很大的影响。特别是在激光远距离通信、打靶、成像中，部分相干光束可以降低误码率、消除散斑、提高成像清晰度等等。对于寄居于完全相干光中的涡旋，人们称之为光涡旋，对于部分相干光，人们称之为“相干涡旋”。它包含了更多的可控自由度，在光捕获、光通信、信息加密方面具有许多独特的优势。例如，通过调控涡旋光束的空间相干宽度实现不同折射率粒子的捕获；部分空间相干涡旋光束能有效克服传输引起的光强闪烁和光束扩展；部分相干脉冲涡旋光束所特有的空间或时间关联函数不仅为信息加密和传输提供了较多自由度，而且为光束整形提供多种新方法。
[0006]同时考虑脉冲涡旋光束的时间域、空间域、横向OAM和部分相干性称之为“时空相干涡旋”。现有产生时空相干涡旋的技术是将时空涡旋相位加载到源平面，利用衍射积分公式求得远场的互相干函数表达式，进一步获得时空涡旋相位分布和时空强度分布。但这种方式不易获得解析解，不能处理拓扑电荷大于1的情况，且计算很繁琐和耗时。同时，利用脉冲参数对时空相干涡旋进行调控也非常困难，且时空位错不能产生。
[0007]针对上述存在的技术问题，需要新的方法进行解决。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的在于解决上述
技术介绍
中涉及到的问题，提供了一种产生时空相干涡旋和时空位错的方法。本专利技术利用相干模表示方法和傅里叶变换方法相结合，构建了一种具有时空相干涡旋的部分相干脉冲光源，获得了脉冲光源互相干函数的解析表达式，展示脉冲参数对时空相干涡旋和时空位错的影响，并非常方便地对时空相干涡旋和时空位错进行动态调控，通过该方法以解决目前时空相干涡旋在传输和调控中所存在的问题。
[0009]具体的，本专利技术采用以下技术方案进行：一种产生时空相干涡旋和时空位错的方法，包括以下步骤：将部分相干脉冲光束(PCPB)的交叉谱密度函数表示为多个空间频率域本征函数的非相干叠加；利用傅里叶变换得到PCPB的互相干函数表达式，并将该表达式表示为多个空间时间域本征函数的非相干叠加；将时空涡旋相位加载到时间空间域本征函数中，得到具有时空涡旋相位PCPB的互相干函数解析表达式；让具有时空涡旋相位PCPB互相干函数的实部和虚部分别等于零；产生时空相干涡旋和时空位错的位置位于实部和虚部均为零处，即产生时空相干涡旋和时空位错。
[0010]基于以上的方法，具体进一步的方案如下。
[0011]进一步的，PCPB的交叉谱密度函数的表达式为：上式中：λ
mnk
为模式的权重函数，它一般取非负的实函数；下标m、n、k为大于1的正整数，r表示横向空间坐标矢量，z表示传输距离，φ
mnk
(r,ω,z)为厄米
‑
高斯模，被定义为：被定义为：被定义为：被定义为：
d＝(a2+2ab)
1/2
ꢀꢀꢀ
(8)；(8)；式(2)中：H
m(n)
为m或n阶厄米多项式，z0表示束腰平面的位置，ω0表示脉冲载波频率，w0和σ0分别表示方均根束宽和空间相干长度，T0和T
c
分别表示脉冲宽度和脉冲时间相干长度，Ω0和Ω
c
分别表示脉冲光谱宽度和脉冲光谱相干长度，φk(ω)为源光谱分布。
[0012]进一步的，根据傅里叶变换，在时间空间域中，PCPB的互相干函数可以表示为：式(11)中，为φ
mnk
(r,ω,z)的傅里叶变换，记做FT[
·
]，即：
[0013]进一步的，考虑具有拓扑电荷q的时空涡旋相位：式(13)中：t和x分别是时间和空间坐标，t
s
和x
s
为归一化系数；将时空涡旋相位加载到z平面处时间空间域中光场的本征函数中，构建函数：
[0014]进一步的，具有时空涡旋相位PCPB互相干函数的表达式为：式(15)表示了多个相干模式的叠加；
在实际的计算中，为方便起见，我们考虑由两个模式组成的PCPB的互相干函数表示为：公式(16)表示在束腰z＝0平面高斯脉冲光束和在束腰z＝z0平面阶数为mn的厄米
‑
高斯脉冲光束的非相干叠加。
[0015]进一步的，考虑到在一维情况，即y＝0，则第一个模式和第二个模式的表达式分别为：为：
[0016]进一步的，利用式(16)研究PCPB在z1＝z2＝z处的时空相干涡旋和时空位错，时空相干涡旋和时空位错出现的时空位置由互相干函数的实部和虚部决定：Re[Γ
′
(x1,x2,t1,t2,z1,z2)]＝0(19)；Im[Γ
′
(x1,x2,t1,t2,z1,z2)]＝0(20)；式(19)和(20)中：Re和Im分别表示互相干函数Γ
′
(x1,x2,t1,t2,z1,z2)的实部和虚部；相干涡旋的拓扑电荷及其符号由符号原理决定；当x1＝x2,t1＝t2,z1＝z2时，时空强度的表达式为I(x2,t2,z2)：利用式(16)
‑
式(21)，对PCPB互相干函数的相位分布、实部和虚部分别等于零的函数曲线、互相干函数的模和PCPB的时空强度分布等进行数值计算，得到相关的分布图，同时展示脉冲参数，如两种模式的束腰本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种产生时空相干涡旋和时空位错的方法，其特征在于：包括以下步骤：将部分相干脉冲光束(PCPB)的交叉谱密度函数表示为多个空间频率域本征函数的非相干叠加；利用傅里叶变换得到PCPB的互相干函数表达式，并将该表达式表示为多个空间时间域本征函数的非相干叠加；将时空涡旋相位加载到时间空间域本征函数中，得到具有时空涡旋相位PCPB的互相干函数解析表达式；让具有时空涡旋相位PCPB互相干函数的实部和虚部分别等于零；产生时空相干涡旋和时空位错的位置位于实部和虚部均为零处，即产生时空相干涡旋和时空位错。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：PCPB的交叉谱密度函数的表达式为：上式中：λ
mnk
为模式的权重函数，下标m、n、k为大于1的正整数，r表示横向空间坐标矢量，z表示传输距离，φ
mnk
(r,ω,z)为厄米
‑
高斯模，被定义为：被定义为：被定义为：被定义为：被定义为：被定义为：d＝(a2+2ab)
1/2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)；(8)；式(2)中：
H
m(n)
为m或n阶厄米多项式，z0表示束腰平面的位置，ω0表示脉冲载波频率，w0和σ0分别表示方均根束宽和空间相干长度，T0和T
c
分别表示脉冲宽度和脉冲时间相干长度，Ω0和Ω
c
分别表示脉冲光谱宽度和脉冲光谱相干长度，φ
k
(ω)为源光谱分布。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：根据傅里叶变换，在时间空间域中，PCPB的互相干函数可以表示为：式(11)中，为φ
mnk
(r,ω,z)的傅里叶变换，记做FT[
·
]，即：4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：考虑具有拓扑电荷q的时空涡旋相位：式(13)中：t和x分别是时间和空间坐标，t
s
和...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁超亮，亓协兴，王嘉，王军强，王海霞，赵存华，井晨睿，赵志国，潘留占，
申请(专利权)人：洛阳师范学院，
类型：发明
国别省市：