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    摘要光在传播过程中，光场相位的变化将导致波前形状的改变，当相邻区域的相位差大于2π时，即出现波前折叠；而在光传播方向则表现为相位的涡旋。本文首先对光学涡旋的基本理论进行介绍。在实验室中利用螺旋相位板得到不同拓扑荷数的涡旋光束，并搭建马赫-曾德尔干涉光路实现了平面波与涡旋光束的干涉。通过观察干涉条纹的分裂现象确定涡旋光束的拓扑荷数。同时阐述了展开波前获取偏振奇异的理论及方法，详细分析了正交偏振的平面波与涡旋光束的叠加产生偏振奇异点的方法，并基于Matlab仿真了波前展开形成的带有偏振奇异点光场的偏振椭圆分布。同时通过实验测定了光学散斑场与平面波正交叠加场中的偏振奇异。最后阐述了涡旋光束在多个领域的应用价值与发展前景。27677
    关键词  波前展开 相位奇异 偏振奇异 Stokes矩阵 光学散斑
    毕业论文设计说明书外文摘要
    Title    Research on unfolding wavefront   
    Abstract
    The fluctuations of phase distributions in optical fields lead to the change of the shape of wavefront.Wavefront folding appears when the phase difference in adjacent areas is greater than 2π,which is called optical vortex in the direction of light transmission.We first introduce the basic theory of optical vortex.Vortex beams with different topolpgical charges can be achieved by using a spiral phase plate.The interference of vortex beam and plane wave can also be realized by setting up a Mach-Zehnder interferometer.We are able to determine the topolpgical charge of vortex beam by observing the splitted fringes.Then we introduce the theory and methods of acquiring the polarization singularities.We analyse the way to acquire polarization singularities by superposing two orthogonally polarized vortex beam and plane wave.Distributions of polarization ellipse are also simulated successfully on Matlab.Meanwhile, the polarization singularities caused by the orthogonal superosition between speckle field and plane wave are determined. Finally,we introduce the application value and prospects of optical vortex in many fields
    Keywords  unfolding wavefront           phase singularities         
    polarization singularities    Stokes Matrix    Optical speckle
    1 绪论    1
    1.1 科学意义和应用价值  1
    1.2 国内外研究概况与发展趋势  1
    1.3 本文主要研究内容  2
    2 波前展开的相位奇异 3
      2.1光学涡旋的基本原理  3
      2.2涡旋光束的产生  4
      2.3涡旋光束与平面波干涉的实验方法与仿真  5
    3 波前展开的偏振奇异  9
      3.1偏振光的矩阵表示方法  9
      3.2偏振椭圆的Poincare球表示与偏振奇异 13
      3.3光学涡旋产生偏振奇异的数值模拟 14
      3.4散斑场中的偏振奇异与测定18
    4 光学涡旋的应用前景 20
    结论 21
    致谢 22
    参考文献 23
    附录 数值仿真程序25
    1  绪论
    1.1. 科学意义和应用价值
    光在传播过程中，光场相位的变化将导致波前的改变，当相邻区域的相位差大于2π时，即出现波前折叠现象；而在光传播方向则表现为相位的涡旋。光学涡旋作为一种具有螺旋形波前和相位奇点的特殊光场，近几年物理学界对其产生了浓厚的兴趣。当光场的实部与虚部同时为零时，光场的相位φ变成一个不确定的值，这种相位奇异的点就称为相位奇点。涡旋相位的奇异性使得在奇异点附近的相位可以取得0-2π之间的所有值，这意着光学涡旋具有高的相位梯度Δφ。涡旋光束是具有连续螺旋状相位的光束，光束的波阵面不同于平面波或球面波，是旋涡状，具有奇异性。涡旋光束在传播方向上具有对称性质，此种涡旋光束具有一个中心暗斑，在此光强为零[1]，并在传播过程中也保持中心光强为零。由于涡旋光束具有螺旋形相位结构，所以波矢量具有轨道角动量并绕涡旋中心旋转[2]。由于光学涡旋的这种特性，使得光学涡旋在用于增大激光腔的模体积[3]、作为在自聚焦介质中的暗孤子[4]、用于自由空间光通信的信息解码[5]等在许多方面具有十分重要的潜在应用价值。涡旋光束在光学微操控领域也具有巨大优势, 如对微粒和原子的光陷, 捕获和引导粒子，旋转吸收的粒子[6]等。涡旋阵列还应用于显微光刻、驱动光学泵浦和处理量子信息等方面。光学涡旋网络在测量旋光角度、微小线性位移以及超分辨率显微镜和3D扫描干涉仪应用等方面都有巨大优势[7]。
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