内容概要：本文详细介绍并复现了2021年发表于Nature Communications的文章，利用全介质超表面技术实现了完美矢量涡旋光束和庞加莱球光束的生成。文中解释了完美矢量涡旋光束的特点，即其不受拓扑荷变化影响，保持稳定矢量特性和可控偏振变化。文章重点介绍了两种不同拓扑荷数的超表面模型，展示了不同阶次的完美涡旋光产生，涡旋图案半径基本不变。此外，提供了FDTD模型、设计脚本、Matlab计算代码及复现结果，涵盖从相位和透射率中挑选用于自旋解耦合的八个单元结构的代码，以及计算多种理论结构光场相位分布的脚本。 适合人群：对光学技术尤其是超表面技术和矢量涡旋光束感兴趣的科研人员和技术开发者。 使用场景及目标：适用于光学加密、光通信、光学操控和光学传感等领域，旨在帮助研究人员理解和掌握全介质超表面技术的具体实现方法和应用场景。 其他说明：本文不仅提供理论背景，还包括详细的实验步骤和代码，便于读者进行复现实验。

全介质超表面技术：实现完美矢量涡旋光束与庞加莱球光束的生成与复现,全介质超表面技术：实现完美矢量涡旋光束及庞加莱球光束的生成与复现——基于FDTD仿真的拓扑荷数超表面模型案例研究,完美矢量涡旋光束 超表面 超透镜 fdtd仿真 复现：2021年Nature Communication ：Broadband generation of perfect Poincaré beams via dielectric spin-multiplexed metasurface lunwen介绍：全介质超表面实现完美矢量涡旋光束生成和完美庞加莱球生成，完美矢量涡旋光束不随拓扑荷的变化而变化，同时满足矢量光场的偏振变化，主要用于光学加密等领域； 案例内容：主要包括文章的两个不同拓扑荷数的完美矢量涡旋光束生成的超表面模型，不同阶次的完美涡旋光产生，其涡旋图案的半径基本不变。 同时验证了全庞加莱球光束的偏振变化和矢量特性。 所有结构采用二氧化钛介质单元执行几何相位加传输相位来构建； 案例包括fdtd模型、fdtd设计脚本、Matlab计算代码和复现结果，以及一份word教程，附带从相位和透射率中挑选用于自

根据广义惠更斯-菲涅耳原理和交叉谱密度函数的表达式，推导出部分相干高斯-谢尔涡旋光束在大气湍流中传输时光强分布的积分形式，通过一些特殊积分处理得到完整的解析表达式，分析讨论了传输距离、湍流强度和光束自身参数等对光束光强分布的影响。结果表明：部分相干涡旋光束在大气湍流中传输时，随着传输距离的增加，光强分布逐渐由空心分布转化为高斯分布；当拓扑荷数为0时，随着传输距离的增加，光强分布一直保持高斯分布；在湍流强度不变的情况下，拓扑荷数越小，相干长度越短，束腰宽度越长，光强分布由空心分布转化为高斯分布所需要的传输距离越短。

根据广义的惠更斯-菲涅耳原理, 研究了涡旋光束在湍流大气中的传输特性。研究结果表明, 涡旋光束在湍流大气中传输时, 截面光强会从空心分布转化为高斯分布。光束所带的拓扑电荷数以及大气湍流均会影响光强分布的变化。研究结果还表明, 涡旋光束能够抑制大气湍流对光束扩展的影响, 这一现象得到了实验上的证实。通过杨氏双缝干涉的方法, 还研究了涡旋光束经过湍流大气传输后的拓扑电荷数。研究发现, 涡旋光束经过湍流大气后, 拓扑电荷数将发生波动。

Matlab实现LG涡旋光束,包含拉盖尔-高斯涡旋光束数学描述

comsol涡旋光束仿真.mph

利用涡旋光束与锥透镜透射率函数设计相位掩模板，采用平面光照射写入相位掩模板的空间光调制器(SLM)，则在SLM的傅里叶平面上产生了完美涡旋光束，解决了傅里叶平面0级和±1级光谱重叠的问题。提出了一种完美涡旋光束的空间自由调控技术，通过实验分析，明确了空间调控位移与调控因子间的函数关系，调控精度达到了2.25 μm。通过在线调节锥透镜的锥角参数，实现了完美涡旋光束中心亮环半径的自由调控，并得到光束中心亮环半径与锥角的二次函数关系。将波长为532 nm和632.8 nm入射光产生的完美涡旋光束作对比，结果表明，当入射波长较长时，仍可得到较小半径的完美涡旋光束。该研究为完美涡旋光束在微粒操纵、光学信息编码、光学测量及基于轨道角动量的光纤通信等领域的应用提供了新思路。

涡旋光束具有螺旋波前、携带相位奇点和轨道角动量等物理特性, 在粒子操控、量子信息、超分辨成像、光通信等领域具有重要的应用, 并已成为学术界的研究热点。得益于相干光学理论的快速发展, 将相干性作为新的自由度引入涡旋光束中, 提出新型涡旋光束即部分相干涡旋光束。相较于完全相干涡旋光束, 部分相干涡旋光束具有独特的物理内涵和光学特性, 尤其是对其相干性和拓扑荷的联合调控会引发一系列奇特的新物理效应(如相干奇点、光束整形、偏振态转换、自修复等)。回顾了部分相干涡旋光束的基本理论及发展历程, 着重对部分相干涡旋光束的理论模型、传输特性、实验产生、实验测量和应用基础研究进行了阐述。

可以用来模拟改变相位的超构造表面，最终生成涡旋光

利用光栅检测涡旋光束轨道角动量(OAM)并进行性能改善的方法容易实现且能降低通信系统成本。将涡旋光束照射到周期渐变光栅和环形光栅的合适位置, 观察衍射图中光斑的分布规律, 并对入射涡旋光束进行检测。实验结果表明,通过判断光斑中暗条纹的数量和朝向便可确定入射涡旋光束的拓扑荷的大小和正负, 利用相位校正技术或光束复制技术可以使衍射结果中的条纹更加清晰, 使用这两种技术后可将检测到的拓扑荷数提高至30。该研究为OAM复用通信中的解复用和涡旋光的产生提供了依据。