傍轴光场矢量空间结构的传播演化与复现

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傍轴光场的横向结构及其在传播过程中的演化可以用傍轴波动方程描述,其矢量特征可由偏振态刻画。矢量结构光具有空间非均一偏振态,这种现象源自光场内禀自旋-轨道耦合(Spin-Orbit Coupling.SOC)效应,是一种光学SOC态。近年来,对具有传播不变横向结构的矢量结构光物理本质和潜在应用的探索,促进了现代光学和光子学众多研究领域的发展。目前关于矢量结构光场的研究仅仅局限于横向光斑分布简单、径向对称的涡旋光束。对于复杂模式矢量结构光场的成像规律的研究,一方面会为三维矢量光场的传播与调控提供理论基础,另一方面也能拓展矢量结构光场在光与物质相互作用领域中的调控应用空间。以模间相位对傍轴光场横向结构的影响、古伊相位的拓扑起源、矢量结构光可视化描述和实验制备技术为研究基础。从傍轴波动方程的本征模式入手,利用不同本征模式叠加构造傍轴光场的非本征矢量模式。重点研究基于拉盖尔-高斯(Laguerre-Gaussian)LGpl(p为径向指数,l为角向指数)模式构造的矢量结构光传播特性及其制备与表征手段。在此基础上,针对不同模态阶次的本征和非本征矢量模式(LGpl模式叠加),分析古伊相位对矢量结构光的影响,探究其横向结构在自由空间中的传播演化规律。最后,基于空间光调制器的复振幅调制,实验制备不同类型的矢量结构光场,并根据分数阶古伊相位研究矢量结构光场的传播规律,验证理论预测的准确性。本文研究了不同阶次的本征模式叠加产生的非本征矢量模式在传播过程中积累分数阶古伊相位,导致矢量结构光的偏振剖面和强度剖面随传播距离的变化而变化。在物理层面上揭示了非本征矢量高斯模式的传播演化和复现是由SOC空间以及空间模式子空间中的模间古伊相位差导致的。这一基本原理为设计具有自定义传播演化属性的矢量结构光提供了指导方法。在技术层面上提出并论证了一种自稳定偏振干涉仪能够高精度的产生任意矢量结构光场并且兼容数字传播技术,该技术对高维光子态的产生调控及表征研究具有重要意义。
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