扭曲部分相干光场调控理论及实验研究文献综述

 2022-11-26 15:24:52

1 文献综述

近年来，复杂结构光场的深度调控，发掘和探索新机制、新效应以及新应用已成为光学学科的前沿热点话题。光学相干是光场的一个重要属性，光场空间相干性的调控[1]促进了光科学和技术的巨大进步。因此，本课题重点研究一类特殊携带扭曲相位的部分相干光学的调控机理及特点，并研究光场的传输衍射特性，探索新现象和新应用。、

自 20 世纪 80 年代起，有些学者大量研究了关于围绕光的空间相干性对光场统计特性的影响[2]，结果表明 ，适当降低激光束的空间相干性所得到的部分相干光在保持良好的准直性的同时，呈现出一些新奇的物理特性，并在某些应用领域中展现出其独特的应用价值。例如：在激光核聚变中，光束的相干性降低能够有效克服散斑效应从而获得更为均匀的光斑[3]；在光学成像中，利用低相干性光源可以实现“鬼”成像和“鬼”干涉等[4]。 此外，在原子冷却、微粒捕获、图像扫描及目标探测[5]等方面，具有低相干性的部分相干光束也有一定的优势。 经过近四十年的发展，相干性调控不仅成为光场调控的重要研究方向之一，而且形成了部分相干光学这门新型的学科。

相位是光场的另一个重要调控参量。与完全相干光有所区别的是：在部分相干光条件下，相位与光的相干性相互联系、相互影响；更进一步，光的相干性又与光的偏振态密切联系、相互影响，因此，相位对部分相干的调控作用将呈现出新的面貌。 根据加载于部分相干光的相位的波前函数的不同形式，一般可分为常规相位、 扭曲相位及涡旋相位 3 类。扭曲相位最早由 Simon 等[6]在 1993 年提出，表达形式如下：exp[-ikmu;（x1y2- x2y1）]，其中 mu; 称为扭曲相位因子，具有长度倒数的量纲。 该相位与普通的二次相位存在着本质的差异，它是一个与空间两点位置关联的函数，且不能分离为两个独立一维坐标参量的乘积。由于部分相干光束交叉谱密度具有非负正定性，扭曲相位的强度受光束横向相干宽度平方反比的限制，在完全相干极限情况下消失，因此扭曲相位不存在于完全相干光中，是部分相干光束所特有的一种相位。此外，扭曲相位具有手性特征，其内在的不对称性将使光束在传播过程中沿着光轴发生旋转并使光束的发散角增大。 高斯谢尔模光束（光强与相干度都满足高斯分布） 作为最经典的轴对称部分相干光束，是人们加载该相位的首要选择，这种新型的部分相干光称之为扭曲高斯谢尔模光束[7]。 1994 年，Friberg 等[8]人首次实现了扭曲高斯谢尔模光束的实验产生，并通过实验证实了在扭曲相位作用下光束在传播过程中发生旋转及发散角增大的现象。同时由于该相位随空间位置变化，光束自身携带轨道角动量，通过对扭曲相位的调控可以改变部分相干光束所具有的轨道角动量。扭曲相位赋予了部分相干光场新的特性，开辟了部分相干光束领域新的研究方向，扩大了部分相干光相位调控的范畴，具有非常重要的理论研究价值。Friberg 等[8]分别提出扭曲高斯谢尔模光束可以由无数个不相关且沿着不同方向传播的椭圆高斯光束叠加产生；由于扭曲光束自身携带轨道角动量，含扭曲相位的高斯谢尔模光束还可以分解为部分相干的贝塞尔高斯光束的叠加[9]。 模式分解法有助于人们加深对扭曲部分相干光束特性的理解，但在实际计算时由于模式选取数的限制往往得到的是近似解。维格纳分布函数同时引入空间域变量和频率域变量表示光束，是一种间接等效的研究方法。Simon 等人利用维格纳分布函数以及方差矩阵推导出扭曲高斯谢尔模光束的理论产生矩阵[6]，并探讨了扭曲相位强度受限制的原因[10]，为后续的实验产生奠定了理论基础。

基于上述研究方法，人们对扭曲部分相干光束展开了一系列研究。研究发现扭曲高斯谢尔模光束的频移与光束的空间相干性、波前曲率及扭曲因子密切相关，空间相干性越好、扭曲因子越大、相对频移越小，且随着横坐标的增加，光谱位移从蓝移变为红移[11]。随着对部分相干光研究的深入，人们发现偏振特性和相干性是相互联系和影响的，因此对扭曲高斯谢尔模光束（又被称为标量扭曲高斯谢尔模光束、完全偏振扭曲高斯谢尔模光束）的研究很自然地延伸至扭曲电磁高斯谢尔模光束（矢量扭曲高斯谢尔模光束、部分偏振扭曲高斯谢尔模光束）。 研究结果表明：扭曲相位不仅会影响光束传输过程中的光强、相干度，而且会改变光束的偏振度及偏振态等的分布[12]。近年来具有特殊空间关联结构（非高斯关联）的部分相干光成为相干光学领域内的研究热点，扭曲相位对特殊关联部分相干光调控的研究也引起了学者们的广泛关注。然而，由于交叉谱密度的非负正定性条件，扭曲相位并不能加载于任意的部分相干光束上。Gori 等[13]首先提出了构建特殊空间关联结构交叉谱密度需要满足的正定性条件。Borghi 等[14]人提出了一种通过模式分解判断具有轴对称的谢尔模关联的部分相干光束能否携带扭曲相位的方法，给出了相应的判定条件，并对该条件进行了简化。此外，Gori 等[15]人提出了一种构建真实的且无需对称约束的扭曲部分相干光源的理论，并以圆形和矩阵对称的两种非高斯扭曲源作为实例进行光束传输特性的分析。有的学者通过以离散形式实现连续相干光束函数来生成扭曲的高斯谢尔模光束的一般实验方法[16]。此外还展示了基于严格的Laguerre-Gauss模式叠加的实验结果，表明其方法更方便，质量更高。 还使用传播过程中的旋转特性来测量扭曲因数，其结果与理论预测非常吻合。该方法可以用作自定义真实扭曲的交叉光谱密度的通用方法，同时有助于某些应用。

综合上述已有的扭曲相位对部分相干光调控研究结果，我们可以看到受扭曲相位调控的部分相干光在自由空间光通信、二次谐波产生、鬼成像、微粒捕获及提高成像分辨率等方面具有非常广阔的应用前景。

  1. 陈亚红,蔡阳健. 激光相干性调控及应用[J].光学学报，2016，36（10）
  2. MANDEL L， WOLF E. Optical coherence and quantum op-tics[M]. Cambridge：Cambridge University Press， 1995.
  3. KATO Y， MIMA K， MIYANAGA N， et al. Random phas-ing of high-power lasers for uniform target acceleration andplasma-instability suppression[J]. Physical Review Letters ，1984， 53（11）：1057.
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  5. ZHANG J F， WANG Z Y， CHENG B， et al. Atom coolingby partially spatially coherent lasers[J]. Physical Review A，2013， 88（2）：023416.
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  9. GORI F， SANTARSIERO M. Twisted Gaussian Schell-modelbeams as series of partially coherent modified Bessel-Gaussbeams[J]. Optics Letters， 2015， 40（7）：1587.
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  15. GORI F， SANTARSIERO M. Devising genuine twistedcross-spectral densities[J]. Optics Letters， 2018， 43 （3）：595.
  16. C. Tian, S. Zhu, H. Huang, Y. Cai, and Z. Li, Customizing twisted Schell-model beams, Opt. Lett. 45, 5880–5883 (2020).

2 研究手段

我们通过以离散的不相关模式叠加形式实现连续积分函数来生成扭曲高斯谢尔模光束。同时，我们的结果与基于严格的Laguerre-Gauss（LG）模式分解合成的结果之间也进行了实验比较。

此外，该扭曲因素还可以测量传播过程中的动态软分区特性。该方法提供了一种通用的实验方法来定制非平凡的扭曲部分相干源。

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