【摘要】：軌道角動量模式憑借其獨特的螺旋相位結(jié)構(gòu)和環(huán)形光場分布,在光操控、光學顯微成像、激光材料處理和非線性光學等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用,尤其是近年來在光通信領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。高純度軌道角動量模式的產(chǎn)生、放大和激光是實現(xiàn)這些應(yīng)用的基礎(chǔ)。全光纖化的軌道角動量模式產(chǎn)生、放大和激光系統(tǒng),具有集成度高和抗干擾能力強等優(yōu)勢,是軌道角動量模式應(yīng)用的重要研究方向。本論文針對全光纖化的軌道角動量模式產(chǎn)生、放大和激光問題,在理論和實驗兩個方面進行了有益的探索,取得了如下主要研究成果:1、仿真設(shè)計了兩種全光纖軌道角動量模式產(chǎn)生系統(tǒng)。第一種是基于多芯光纖,通過調(diào)控多芯光纖中各單模纖芯的折射率或者半徑可在光纖中產(chǎn)生任一特定拓撲荷數(shù)的軌道角動量模式。第二種是基于包含應(yīng)力施加區(qū)的復合光纖,通過選擇合適的光纖長度和調(diào)整施加在應(yīng)力施加區(qū)中的電勢,能夠可調(diào)諧產(chǎn)生拓撲荷數(shù)l=±1、±2、±3的軌道角動量模式。這兩種設(shè)計分別為進一步解決光纖中高拓撲荷數(shù)軌道角動量模式的產(chǎn)生問題和不同拓撲荷數(shù)軌道角動量模式的可調(diào)諧產(chǎn)生問題有極大的指導意義。2、實驗研究了一種創(chuàng)新性的高純度全光纖軌道角動量模式產(chǎn)生器。設(shè)計和制備了一種特殊的漸變折射率少模光纖,具有打破HE_(21)模式和相鄰TE_(01)/TM_(01)矢量模式間簡并的優(yōu)點,可以作為軌道角動量模式穩(wěn)定傳輸光纖,同時作為軌道角動量模式產(chǎn)生的基礎(chǔ)光纖。基于相位匹配條件和弱熔融拉錐技術(shù),制作了一種由標準單模光纖和該漸變折射率少模光纖構(gòu)成的全光纖軌道角動量模式產(chǎn)生器。結(jié)果表明,該產(chǎn)生器可以在100 nm帶寬范圍內(nèi)產(chǎn)生軌道角動量模式(|7)|=1),最大模式純度為95%。這種基于軌道角動量模式傳輸光纖的全光纖軌道角動量模式的產(chǎn)生方案將徹底改變目前的軌道角動量模式復用和解復用系統(tǒng),不僅避免了空間中產(chǎn)生的軌道角動量模式與光纖的高精度耦合,而且具有更高的緊湊性、靈活性和實用性的優(yōu)點。此外,超大的帶寬促使它可以與成熟的波分復用相結(jié)合,以進一步提高基于軌道角動量模式復用的光纖通信系統(tǒng)的傳輸容量和頻譜效率。3、仿真設(shè)計了一種新型的稀土摻雜固態(tài)芯光子帶隙光纖,基于離散化橫向分解穩(wěn)態(tài)速率方程,研究了該光纖對軌道角動量模式的放大性能。此外,建立了基于受激布里淵散射的軌道角動量模式放大機理,理論證明了軌道角動量在放大過程中可以很好地從泵浦光傳遞到布里淵斯托克斯光。對比研究發(fā)現(xiàn),這種放大方式對光場相位和拓撲結(jié)構(gòu)敏感,可有效實現(xiàn)高純度低噪聲的軌道角動量模式放大,為進一步軌道角動量模式激光系統(tǒng)的設(shè)計提供了理論支持與指導。4、首次提出了一種新型的全光纖高階模式布里淵激光器�；诓祭餃Y非線性效應(yīng)和模式選擇耦合,保證高階模式直接諧振放大,獲得高純度高階模式激光束。實驗表明,輸出的LP_(11)模式激光的模式純度高于98%,線寬約4.7 kHz。通過調(diào)整LP_(11)模式之間的相位差,在該全光纖高階模式布里淵激光器系統(tǒng)中也產(chǎn)生了拓撲荷數(shù)為1或-1的軌道角動量模式激光束。該全光纖激光系統(tǒng)首次實現(xiàn)了基于受激布里淵散射效應(yīng)的高階模式直接諧振放大,為實驗實現(xiàn)全光纖軌道角動量模式激光提供了指導意義。更進一步的,提出了一種橫模可切換全光纖布里淵激光器。通過切換耦合到環(huán)形腔中的泵浦模式,可以激發(fā)相應(yīng)橫模布里淵散射光�；诓祭餃Y非線性效應(yīng),保證期望的橫模直接諧振放大,獲得橫�？汕袚Q的激光束。實驗演示了波長為1550 nm的全光纖布里淵激光器系統(tǒng)中基橫模LP_(01)和二階橫模LP_(11)的可切換輸出。LP_(01)模式和LP_(11)模式的斜率效率分別為25.1%和20.9%,線寬分別為4.9 kHz和4.96 kHz。同時,在該激光系統(tǒng)中也實現(xiàn)了拓撲荷數(shù)l=+1、-1或0的軌道角動量模式激光束的可切換產(chǎn)生。5、首次提出了一種全新的全光纖軌道角動量模式布里淵激光器。采用全光纖軌道角動量模式產(chǎn)生器將泵浦模式由基橫模轉(zhuǎn)換為特定的軌道角動量模式;支持軌道角動量模式穩(wěn)定傳輸?shù)臐u變折射率少模光纖作為布里淵增益介質(zhì)�；诓祭餃Y非線性效應(yīng),實現(xiàn)泵浦模式激發(fā)的軌道角動量模式在諧振腔中直接諧振,從而實現(xiàn)高純度軌道角動量模式激光直接輸出。實驗研究了一種波長為1550 nm的全光纖軌道角動量模式布里淵激光器,實現(xiàn)了拓撲荷數(shù)l=+1或-1的軌道角動量模式激光束的直接產(chǎn)生。其模式純度均高于95%,激光閾值為145 mW,斜率效率為11.1%。這是在全光纖激光系統(tǒng)中,首次實現(xiàn)軌道角動量模式直接諧振,而獲得軌道角動量模式激光,將極大的促進全光纖軌道角動量模式應(yīng)用系統(tǒng)的發(fā)展。
【學位授予單位】：華南理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN929.1;TN253
【圖文】：

1.1 軌道角動量概述從量子力學角度，光具有粒子特性。眾所周知，粒子的運動與動量相關(guān)，直線運動的粒子具有線動量，自旋或繞軸旋轉(zhuǎn)的粒子攜帶有自旋角動量和軌道角動量。同樣，光子也具有這兩種類型的角動量。近軸近似時，如果電場沿光軸旋轉(zhuǎn)，則光子攜帶自旋角動量；如果波矢繞光軸螺旋，導致螺旋相前，則光子攜帶軌道角動量，如圖 1-1 所示[1]。光子的自旋角動量早在 1936 年被 R.A. Beth 等人通過實驗證實：當一束右旋圓偏振光穿過一個被光纖懸浮的半波片時，轉(zhuǎn)化為左旋圓偏振的光，同時半波片圍繞光纖旋轉(zhuǎn)且獲得的角動量是穿過它的光子數(shù)的 2 倍，得出左、右圓偏振光子各攜帶了± 的自旋角動量[2]。但是，光子的軌道角動量的概念提出相對較晚。直到 1992 年，荷蘭 Leiden 大學的 L. Allen 等人提出有 ( )方位相依賴性的光束攜帶有與偏振態(tài)無關(guān)的角動量，即軌道角動量，并且每個光子攜帶的軌道角動量為 l ，其中 是光束橫截面中的方位坐標，l 為拓撲荷數(shù)，可以取任何正、負的整數(shù)值[3]。正如圓偏振光一樣，軌道角動量的符號表示其相對于光束方向的手性。攜帶軌道角動量的光束簡稱軌道角動量光束。

第一章 緒論 ( ) = Ъ Ъ ф ( ) ( ) ( ) д ( ) ( ) (1-7其中，C 是歸一化常數(shù)， 是光束的瑞利長度， ( )是光束在 z 處的光斑半徑（ ( 是光束的束腰半徑，即最小光斑半徑）， 是拉蓋爾多項式。p 的值代表了光場徑向相位躍變的數(shù)目， 為拓撲荷數(shù)，即繞光軸旋轉(zhuǎn)一周的相位變化量為 。p 和 l 可視為LG 模式的兩個量子數(shù)。p=0、1 和 2 時前三個 l 的拉蓋爾-高斯光束的歸一化強度分布和相位分布如圖 1-2 所示。當 p=0 且 l=0 時，拉蓋爾高斯光束即為簡單的高斯光束。

測 光束與參考高斯光束以一定角度干涉，產(chǎn)生一個 l 叉的圖案，荷數(shù)。本例中，得出 l=5。3 The interference of a beam with a Gaussian beam at angle createshere l is the topological charge of the measured beam. In this example, l=光束除了最常用的高斯基模光束外，待測的光束本身也可以作為參考示，采用 Dove 棱鏡，將待測光束反射奇數(shù)次，進而產(chǎn)生一個與其拓軌道角動量光束。當這兩束光束共軸干涉時，會產(chǎn)生一個包含 2l 個數(shù)可以得出原待測光束的拓撲荷數(shù)。

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本文編號：2755102