矢量橢圓空心光束的產(chǎn)生及其應(yīng)用研究.pdf

1、矢量橢圓空心光束不僅具有一般空心光束的優(yōu)點(diǎn)，而且具有獨(dú)特的傳輸特性、偏振特性和分?jǐn)?shù)的軌道角動(dòng)量，在原子分子物理、原子分子光學(xué)、光學(xué)測量、光信息處理、生物光子學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、納米科技、材料科學(xué)等領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景。隨著人們對光束角動(dòng)量的認(rèn)識(shí)，具有角動(dòng)量的光束在光學(xué)鑷子、光學(xué)扳手、微機(jī)械馬達(dá)、納米科技、量子保密通信、光信息存儲(chǔ)等領(lǐng)域也有重要應(yīng)用。而無衍射光束由于其傳輸不變性，一直是人們追求的熱點(diǎn)之一。本文致力于自聚焦矢量橢圓空心光束和無衍

2、射矢量橢圓空心光束的產(chǎn)生及其應(yīng)用的理論研究。
　　 首先，我們基于麥克斯韋方程的矢量模型，采用馬提厄函數(shù)對橢圓介質(zhì)空心光纖中傳輸?shù)牟糠謾E圓空心模式進(jìn)行了詳細(xì)研究；我們的研究表明：橢圓空心光纖中可以傳輸一些橢圓空心模式，并且光纖中傳輸?shù)膯蝹€(gè)模式的平均光子角動(dòng)量為零，而雙模傳輸可以獲得隨傳輸距離正弦變化的平均光子角動(dòng)量。在此基礎(chǔ)上，我們利用橢圓空心光纖中傳輸?shù)膯文Ｑ苌漭敵觯a(chǎn)生了角動(dòng)量為零的矢量橢圓空心光束；并利用橢圓空心光纖中的雙

3、模衍射輸出，產(chǎn)生了具有位置依賴的分?jǐn)?shù)角動(dòng)量的矢量橢圓空心光束。得到的兩種矢量橢圓空心光束都具有自聚焦效應(yīng)，光束在穿過其自聚焦平面時(shí)，橢圓長軸和短軸將發(fā)生交換。此外，兩種矢量橢圓空心光束都具有位置依賴的任意偏振態(tài)。
　　 接著，我們提出了一種采用雙模傳輸?shù)臋E圓空心光纖和圓錐形透鏡構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)來產(chǎn)生矢量的準(zhǔn)馬提厄空心光束的新方案。我們成功得到了一束在長達(dá)1m的傳輸距離內(nèi)近似無衍射的橢圓空心光束，并且證明了這種光束是一種矢量準(zhǔn)馬提厄

4、空心光束。研究表明：產(chǎn)生的矢量準(zhǔn)馬提厄空心光束在1.2～2.2m的區(qū)域內(nèi)具有傳輸不變的光強(qiáng)分布(即無衍射特性)和隨傳輸距離周期性旋轉(zhuǎn)的徑向依賴的偏振態(tài)，并且在此區(qū)域內(nèi)光束中心的橢圓環(huán)具有傳輸不變的分?jǐn)?shù)軌道角動(dòng)量。此外，我們通過數(shù)值擬合，給出了描述矢量準(zhǔn)馬提厄空心光束在自由空間的光強(qiáng)分布和軌道角動(dòng)量分布的簡單表達(dá)式。
　　 最后，本文還對產(chǎn)生的矢量橢圓空心光束在原子分子光學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行了理論研究。我們首先討論了產(chǎn)生的自聚焦矢量橢圓

5、空心光束在原子透鏡中的應(yīng)用，計(jì)算了激光失諧量和原子束的初始速率對原子透鏡像差的影響。當(dāng)失諧量為70GHz，原子束的初始速率為28m/s時(shí)，總的像差達(dá)到最小，為26.2nm，遠(yuǎn)低于光波的衍射極限。并且我們產(chǎn)生的矢量橢圓空心光束在自聚焦過程中始終保持中心光強(qiáng)為零，十分適合于用作高分辨的原子透鏡。此外，藍(lán)失諧的矢量準(zhǔn)馬提厄空心光束在導(dǎo)引冷原子或冷分子的同時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)對冷原子或者冷分子的旋轉(zhuǎn)操控。85Rb原子在矢量準(zhǔn)馬提厄空心光束中運(yùn)動(dòng)的平均旋