物理学系2018级本科生李源同学在2019年参加大学生物理学术竞赛（CUPT）过程中对“酱油光学”一题开展了深入研究，2020年进一步申报大创项目《涡旋光束的热透镜效应》，在张武虹、陈理想老师的指导下对涡旋光束的热透镜效应进行了深入细致的理论研究与实验验证，成功在各向同性吸光材料中实现了涡旋光束的热透镜。与传统高斯光束形成热透镜具有发散光束的效应相比，涡旋光束的热透镜可以会聚光束，此工作近期发表在国际光学著名期刊Optics Express上。值得一提的是，该工作因其开创了基于结构光场构筑新型热透镜效应的研究方向，获得审稿人的一致好评，近期被编辑选为“Editor's Pick”文章做重点推介。

厦大物理系光学方向研究进展

    以一束激光穿透一层薄的酱油（约200um）, 会有什么新奇的现象？这是2019年全国大学生物理学术竞赛（CUPT）的光学题目第9题“酱油光学”。题目主要是探究激光照射酱油的热透镜效应。热透镜效应是指吸光材料在吸收光能量后温度升高，而材料的折射率会随着温度变化而发生改变，从而使材料内部折射率分布不均，进而导致通过的光由于折射产生额外的效果，这种现象被称作热透镜效应。Gordon等人于1965年提出了首个描述热透镜效应的理论模型并给出了高斯光束产生的热透镜焦距的解析解。随后激光热透镜效应被广泛应用于材料吸收谱的测定，化学成分分析，高能激光器制造等领域。这些热透镜效应都是基于高斯光场开展研究，近些年，涡旋光束因其携带光子轨道角动量而被大量研究，这种具有空间结构的光场是否具有不同的热透镜效应还鲜有人研究。基于此，李源同学在张武虹、陈理想老师的指导下继续深入研究，基于采用端面绝热的边界条件数值求解了非稳态热传导方程，利用comsol数值模拟涡旋光热透镜效应随时间变化的动力学过程及稳态情况下不同拓扑荷数引入材料温度场的变化情况（如图1）。在实验上，我们通过设计了一种双光束实验装置，使用较高功率的涡旋光束照射样本，并用一束同轴的低功率高斯光束进行热透镜效应的探测。该装置成功实现了涡旋光束热透镜的产生与测量，并将测量值与理论计算值进行比较，验证了理论模型的正确性（如图2）。涡旋光束的热透镜效应在高功率激光系统中具有潜在应用价值。该方案的相关技术也已经申请国家专利，目前已经进入实质审查阶段。

图1，（a）当拓扑荷数为2的涡旋光束照射材料时，材料温度场随时间的变化，（b）不同拓扑荷数稳态下材料温度场的分布（l=0,1,2,3），(c) 不同功率下不同拓扑荷数涡旋光束横截面温度场的分布情况。

图2 二维超分辨实像放大镜的宽带消色差实像。（a，c）在9至13 GHz频率下仿真计算的归一化电场强度；（b，d）在9至13 GHz频率下对应的实验结果。

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