光涡

光涡绪论•我们知道描述光场的物理量主要有：振幅、频率、相位等，过去人们的硏究主要集中在具有空间均匀偏振和波前相位均匀的光束上，如线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光等。波前形式通常为球面波、平面波等。近些年来，人们越来越关注那些具有特殊的振幅、偏振形式和相位等的光场，其中涡旋光束最受到人们的关注。涡旋定义：是指一种半径很小的圆柱在静止流体中旋转引起周围流体作圆周运动的流动现象。平面波•等相面/波前/波面：空间相位相同的场点所组成的曲面•平面电磁波：𝑬=𝐸0𝑒−𝑖𝑘𝑧•𝐸0——电磁波振幅•𝑒−𝑖𝑘𝑧——相位因子光学涡旋•任意一个涡旋场的相位分布可写为（柱坐标系）：Φ𝑟,𝜃,𝑧=𝑙𝜃•𝑙——拓扑荷（一般取整数）•𝜃——旋转角度𝑬=𝐸0𝑒𝑖𝑙𝜃𝑒−𝑖𝑘𝑧•𝑒−𝑖𝑘𝑧——沿𝑧轴传播的相位因子•𝑒𝑖𝑙𝜃——涡旋光场的相位因子涡旋光束•涡旋光束：涡旋光束是具有连续螺线形相位分布的光束•光强分布：涡旋光束具有柱对称的传播性质，所有光线在涡旋中心干涉相消，形成暗场，光强消失为零，且在传播过程中也保持中心光强为零。•奇点：涡旋中心处存在的相位不确定的点光学涡旋𝜓𝑙𝑟=𝑢(𝑟,𝑧)𝑒𝑖𝒍𝜃𝑒−𝑖𝑘𝑧•𝑢(𝑟,𝑧)——光场在𝑧处的振幅•𝑙——拓扑荷（一般取整数）•不同的拓扑荷数，代表不同的涡旋波前分布拓扑荷•𝑙拓扑荷/缠绕数：表征涡旋光束里相位𝜑和方位角𝜃的关系𝑙=12𝜋𝛻𝜑∙𝑑𝑟𝑐•𝑐——围绕涡旋中心的矢量路径•𝑙为整数时，光束波前除了轴向上的奇点以外，在空间上连续形成波前•𝑙为非整数时，光束存在一个波面不连续的方位角，出现一个截断面称为分数光学涡旋电磁波的传播动量角动量自旋角动量轨道角动量线动量能量角动量•角动量（angularmomentum）它表征质点矢径扫过面积速度的大小，或刚体定轴转动的剧烈程度。表达公式：𝐿=𝑟×𝑝•𝑟——质点到旋转中心的距离（方向：由原点指向物体位置的矢量）•𝑝——物体的动量（𝑝=𝑚𝑣)•角动量是描述物体转动状态的量自旋角动量(SAM)——由光场偏振决定的角动量•线偏振光(𝜎=0)•左旋偏振光(𝜎=+1)•右旋偏振光(𝜎=−1)•1936年，Beth首次实验证明了理想圆偏振光具有自旋角动量，大小为𝑁ℏ的（𝑁——光子数）轨道角动量(OAM)——由光场的空间分布决定•由于涡旋光束的相位分布呈螺旋状，所以涡旋光束的波矢量有方向项，并且绕着涡旋中心旋转，正是因为这个旋转，使光子具有轨道角动量。•1992年ALLEN采用拉盖尔-高斯光束证明涡旋光束的光子具有轨道角动量，其大小为ℏ𝑙涡旋光束的干涉•涡旋光束的电场表示：𝐸1=𝐸0𝑒𝑖𝒍𝜃𝑒−𝑖𝑘𝑧•平面波电场表示：𝐸2=𝐸0𝑒−𝑖𝑘𝑧•球面波的电场表示:𝐸3=𝐸0𝑒−𝑖𝑘𝑧(1+𝑥22𝑧2+𝑦22𝑧2)•涡旋光束与平面波的干涉光强：𝐸=𝐸1+𝐸22=2𝐸02+2𝐸02cos(2𝜋𝑧𝜆−𝑙𝜃)•涡旋光束与球面波的干涉光强：𝐸=𝐸1+𝐸32=2𝐸02+2𝐸02cos[𝑙𝜃−𝑘𝑧(2+𝑥22𝑧2+𝑦22𝑧2)涡旋光束与平面波干涉图•如果待测光束中包含奇点，在该处用平面波干涉产生的直条纹会出现位错或分叉•分叉数以及分叉方向能够反映涡旋光束的拓扑荷值，正负号涡旋光束与球面波的干涉图•干涉图样的分叉数也能够反应拓扑荷数•由干涉条纹的绕行方向可以判断光学涡旋的方向涡旋光束的产生——几何光学模式转换法•优点：•转换效率高•缺点：•由于设备制造要求精细，因此设备制作难度大，成本高•由于固定的HG光束模式只能产生固定的LG光束模式，而激光器一般一次只能输出一种模式，因此灵活性较差，有一定的局限性涡旋光束的产生——螺旋相位板法•优点：•转换效率高•装置简单，方便，小巧•缺点•螺旋相位板精度要求高，一般要求纳米级，制作难度大•结构固定，每次产生的涡旋光束只有一种输出结果，使用有局限性涡旋光束的产生——计算全息法•步骤：•计算机预先设计好全息片•用高斯平面波照射到全息片上从而产生涡旋光束•优点：•灵活、快速、计算机可控•缺点：•衍射效率较低，全息图精确度要求严格涡旋光束的应用•涡旋光束在传播轴附近的暗中空特点减弱了轴向光散射力，因此可代替高斯光束实现纳米粒子囚禁技术•由于涡旋光束中光子具有轨道角动量，因此可实现光学扳手技术，使微粒在光学系统中旋转•由于不同拓扑荷数的涡旋光束具有正交特性，因此涡旋光束可利用在通信领域的模分复用技术，从而大大提高通信容量参考文献[1]陆璇辉,黄慧琴,赵承良,等.涡旋光束和光学涡旋[J].激光与光电子学进展,2008,45(1):50-56.[2]魏功祥.光学涡旋的衍射特性、生成及检测方法的研究[D].济南：山东师范大学,2010.[3]LeachJ,YaoE,PadgettM.Observationofthevortexstructureofanon-integervortexbeam[J].NewJournalofPhysics,2004,6(1):71.THANKYOU