简述涡旋光

涡旋光的简介光学涡旋是一类等相位面呈螺旋状的光束，具有轨道角动量。在传输过程中，光束中心因相位不确定或发生突变而产生奇点，在奇点处的光强为零、无加热效应、无衍射效应。与光孤子一样，涡旋光因其独特而迷人的性质，自1989年被首次提出以后，很快被人们系统研究，迅速成了现代光学研究中一个重要的分支。短短数十年，光学涡旋从概念的诞生到服务实践，因其在光学角动量和动力学行为方面的特殊性，使其得到了广泛而实际的应用。首先，光学涡旋主要被应用光学微操纵技术。与传统方法相比，光学为操纵具有无接触、无损伤、可靠性高、重复性高、尺度小等特点，光子在对介观粒子的微操纵方面具有自己独特的优势。涡旋光束是具有螺线形相位分布的光束，其表达式中带有相位因子，光束中的每个光子携带的轨道角动量，其中l称为拓扑荷数。由于涡旋光束具有轨道角动量，所携带的轨道角动量可以传递给微粒，以驱动微粒旋转，还可以实现对微米、亚微米微粒的俘获、平移。另外，涡旋光在信息编码上也有较大的应用前景，利用涡旋光束的轨道角动量可对信息进行编码与传输。这种新型的编码方式有很多独特的优点，1）由于拓扑电荷数l的取值可以为整数，零，甚至分数，所以有很高的编码能力。2）具有更高的保密性。我曾看过一片汪小刚的关于图像加密的文章，就是用涡旋光来实现的，具有很高的安全性。目前关于涡旋光束拓扑电荷数测量的研究主要局限于整数阶的涡旋光束，然而对分数阶涡旋光束的研究也具有很重要的意义。因为涡旋光束的分数阶取值可以使其具有更强的编码能力，不同于整数阶涡旋光束圆对称光强分布，分数阶涡旋光束的亮环上会出现缺口，这使得涡旋光束有更广泛的发展前途。连续螺旋状相位的光束，它的波阵面是螺旋涡状，且在中心具有一个暗核，光强为零，具有奇异性。光束还具有轨道角动量，并且绕着传播的光轴旋转进行传播，波前是螺旋状。涡旋光束最重要的特征就是它携带轨道角动量，与拓扑电荷有关。因此，可以根据拓扑电荷数的不同，将沿z轴传播的涡旋光束数字表达式在柱坐标下可以简化为：ikzilzrEEexpexp,,z,r,0其中，E表示在柱坐标下某处涡旋光束的电场，0E表示振幅强度，l表示拓扑电荷数，可以为整数，也可以为零和分数，k为波数，大小为2k，为方位角。涡旋光的螺旋相位就是由式中ile这一项所决定，则沿z轴传播的涡旋光束相位分布可以表示为：kzlzr,,除此之外，涡旋光束的角动量主要是因为它有拓扑电荷数，因此可以将涡旋光束的光场表达式简化为：ileuu0。按照电动力学理论，它的角动量为自旋角动量和轨道角动量的叠加，且与电场和磁场的关系为：rdBErSLJ0当光束在近轴条件下传播，满足近轴近似，有：ikzezyukiyuikHuB0ikzezyukixuikE则z方向上的角动量为lrdrdBErJzz同理，可以得到涡旋光束的能量hhwrdrdBErcWz22通过上述分析，易知涡旋光束不同于普通的线偏振光，他有角动量，大小为l，而且这种角动量具有螺旋性质，即具有螺旋的波前。涡旋光束传播传输的是能量与动量，且每个光子的能量和动量大小分别为h和l。涡旋光束也满足一般光束的性质，它也有干涉和衍射等光现象。一些常见的涡旋光束有，1）环形涡旋光束，它是以高斯光束为基础。2）拉盖尔-高斯光束，它沿着传播方向是旋转对称，且每一个光子都具有一个旋转轨道角动量，对处在光束内的粒子产生扭矩，这是典型的涡旋光束。3）贝塞尔-高斯光束，它的能量密度不受传输的限制。由于涡旋光束和光学涡旋的特征及其复杂性和多样性，还有它们所具有的应用潜力，极大地受到人们的关注。涡旋光束也可以作为光学镊子，光学扳手和原子电动机等，这些都可以用于操控某些微观粒子。涡旋光束的研究领域可谓深远，基于涡旋光束这一研究课题的基础性和前瞻性，它对光的本性认识具有深刻的影响。所以对它们的研究具有十分重要的科学意义，值得人们对其进行更为广泛和深入的研究。141070046常国军