涡旋光束和光学涡旋

ＲＥＶＩＥＷ

涡旋光束和光学涡旋

陆璇辉黄慧琴赵承良王将峰陈和

（浙江大学光学研究所，浙江杭州３１００２７）

ＬＵＸｕａｎｈｍＨＵＡＮＧＨｕｉｑｉｎＺＨＡＯＣｈｅｎｇｌｉａｎｇＷＡＮＧＪｉａｎｇｆｅｎｇＣＨＥＮＨｅ

（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＯｐｔｉｃｓ，ＺｈｅｊｉａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ，Ｚｈｅｊｉａｎｇ３１００２７，Ｃｈｉｎａ），

摘要就涡旋光束和光学涡旋的基本特征和原理进行了概述，对其产生、传播及应用进行了介绍。对涡旋光束和光学涡旋的研究动态进行了叙述，并对其未来的研究和应用前景进行了展望。

关键词涡旋光束；光学涡旋；相位奇异性；角动量；螺旋相位；光学操控

ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅｂａｓｉｃｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ，ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｏｐｔｉｃａｌｖｏｒｔｅｘｂｅａｍｓａｎｄｏｐｔｉｃａｌｖｏｒｔｉｃｅｓａｒｅｂｒｉｅｆｌｙｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ，ａｓｗｅｌｌａｓｔｈｅｉｒｐｒｏｇｒｅｓｓ．Ａｂｒｉｅｆｏｕｔｌｏｏｋａｂｏｕｔｔｈｅｆｕｔｕｒｅｓｔｕｄｙ

ａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｏｐｔｉｃａｌｖｏｒｔｅｘｂｅａｍｓａｎｄｏｐｔｉｃａｌｖｏｒｔｉｃｅｓｉｓｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｋｅｙ

ｗｏｒｄｓｖｏｒｔｅｘｂｅａｍｓ；ｏｐｔｉｃａｌｖｏｒｔｉｃｅｓ；ｐｈａｓｅｓｉｎｇｕｌａｒｉｔｉｅｓ；ｏｒｂｉｔａｌａｎｇｕｌａｒｍｏｍｅｎｔｕｍ：ｈｅｌｉｃａｌｐｈａｓｅ；ｏｐｔｉｃａｌｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ

?中图分类号０４３６

１引言

光学涡旋是随着人们对光认识的深入，特别激光产生以后才逐

渐有了较为清晰的认识。自１９世

纪ＡｉＩ＇ｙ｛ｌｌ发现在透镜的聚焦面上

会形成一种奇异的环以后，人们才

开始对这种现象进行研究。１９７３

年，ＷｉｌｌｉａｍＨ．Ｃａｒｔｅｒ［２］根据计算

机模拟揭示：可以通过对光束的极

轻微扰动使奇异环产生或消失。

之后，Ｇ．Ｐ．Ｋａｒｎｌａｎ等瞰７】研究揭

示：奇异环或环的波前错位随着任

何非近轴激光束的传递而产生。

此外，光束参数的变化导致位错反

应——波前奇异性的不断产生和

消失。后来，Ａ．Ｖ．Ｖｏｌｙａｒ等【８】提

出：环的主要特征和边缘位错是横

向光学涡旋的一种空间运动，这种

光学涡旋的基本单元具有相位奇

异性，这是首次用光学涡旋来解释５０Ｊａｎ．２００８这种现象。Ｍ．Ｓ．Ｓｏｓｋｉｎ等【９Ｊ发现

在去除很大比例的奇异性光束后，

光束在传递过程中又能恢复部分涡

旋特征。事实上，对于任何光学现

象，不管是经典的还是量子的，波涡

旋都是固有的。随着研究的进展，到

２０世纪末大量关于光学涡旋的专

题论文和评论性文章发表【坩一１５Ｉ。

涡旋光束和光学涡旋凭借其

复杂性和可观的应用前景，逐渐成

为近几年学术界的热门研究课题。

涡旋光束之所以应用非常广泛，特

别是在光学操控领域极具优势，是

因为涡旋光束所具有的螺旋波面

可以聚焦成环形的光陷，而这个环

形的光陷就是光学涡旋。

２涡旋光束理论基础与研究

概况

涡旋光束近几年引起了物理

ＶＯＬ．４５ＮＯ．１

学界的浓厚兴趣。所谓涡旋光束即

具有连续螺旋状相位的光束，换句

话说，光束的波阵面既不是平面，

也不是球面，而是像旋涡状，具有

奇异性。

涡旋光束具有柱对称的传播

性质，此种光束的涡旋中心是一个

暗核，在此光强消失ｌｉｅｔｌ刀，其在传

播过程中也保持中心光强为零。涡

旋光束的相位波前成螺旋形分布，

所以波矢量有方位项，且其绕着涡

旋中心旋转【培ｌ。而正是因为这个旋

转，光波携带了轨道角动量㈣。

Ｌ．．Ｍｉｅｎ等㈣指出拉盖尔一高

斯光束具有妒＝舢的螺旋相位结

构，它有显著的每光子ｍｈ的轨道

角动量。在这个螺旋相位的中心具

有奇异性，因为此处的相位是不确

定的，而且场振幅也消失了，以致

在光波的中心形成了“黑心光束”？　万方数据

螺旋模式％（ｒ）的相位因子和沿着光轴的极角０是成比例的，１％（ｒ）＝乱（ｎｚ）ｅ一‘秒，这里≯＝ｍＯ是螺旋相位，ｋ＝眨是光束的波矢量，Ｕ（ｎｚ）是ｚ处的光场径向分布，ｍ是整数绕数（也被称为光学拓扑荷，注：某些粒子的特性在场变形下保持不变，这样的守恒律称为拓扑，其守恒荷称为拓扑荷】。

要实现调整涡旋光束的轨道角动量，可以通过改变波前的螺旋绕数ｍ，或者也可以通过增大光子流。由于每一个光学涡旋都具有一定的螺旋规模，若轨道角动量固定，则会给要求几何或光子密度保持不变的应用带来一些限制。为此，ＣｈｒｉｓｔｉａｎＨ．Ｊ．Ｓｃｈｎｄｔｚ等１２０ｌ介绍了一种轨道角动量可调的光学涡旋，这种可调的光学涡旋是由两束涡旋光叠加而成的，而且这两共线涡旋光束具有相等的螺旋形和相反的空间螺旋特性。

涡旋光束可以简单地被看成是拉盖尔一高斯模的线性叠加。它的柱对称模式是由两个整数因子Ｐ和ｍ来描述的，且在传播过程中Ｐ，ｍ保持不变。涡旋光束的相位梯度沿着其暗光束中心的线性积分值等于２ｍｎ，这里的ｍ指的是涡旋的拓扑荷。根据偏振的一般旋转角动量可知这个拓扑荷给了涡旋光束沿着传播轴方向上每光子ｍｈ的轨道角动量，所以光强才会表现出旋转的特性。涡旋光束具有ｐ＋１个径向节。任何一束带有拓扑荷ｍ的涡旋光束，都可分解为拉盖尔一高斯模的线性组合，但是每一个拓扑荷ｍ对应的Ｐ可能不同。参与组合的每一个模在传播过程中性质不变，所以涡旋光束的暗中心特性也得以保持。虽然由于不同Ｐ值模式，随着相位转换，涡旋光束的径向传播模式会逐渐改变，但是拓扑荷为整数的所有涡旋光束在其传播时，拓扑荷始终不

变，而且光束的中心总是空心的。

一般涡旋光束的形成可以通

过对激光束的调制来实现，如两正

交非涡旋光束的叠加或转换高斯

光束。涡旋光束沿着带有螺旋相位

波前的光轴展示了其相位的奇异

性，这个螺旋波前是由相位因子

ｅｘｐ（ｉｍ《ｂ）来描述的。让一平面波

光束经过一个螺旋相位板ｆ如图１

所示１时，便可得到螺旋相位波前。

假设螺旋相位板的折射率为ｎ，圆

盘的厚度为ｈ，必须的梯高为ｓ，方

位角为≯，则有方程ｓ：ｍ一１）２ｍ，

龙（≯）一庇（≯＝ｏ）＝．粤≥（佗一１）２ｍ，如今

厶Ｊ‘

这一技术已在光波段川和毫米波

段［９９Ｊ中用于生产这种涡旋光束。然

而，在波长未被事先设计好的情况

下，螺旋相位板会产生ｍ为非整

数值的光束，而且此光带有相当复

杂的光学涡旋拓扑荷［ｚ３剖。所以为

了获得理想的涡旋光束就需要再

用一个能够充当相位特征咖＠，剪）

的单色项的光学元件。

目前，除了可用螺旋相位板

产生涡旋光束之外，还有许多方

法可以产生涡旋光束。如运用全

息光栅瓯删，由低阶高斯模产生涡

旋光束；也可采用一个包含球形透

镜和柱透镜的模式转换器，由高阶

厄米一高斯模获得涡旋光束１２７，ｚ８１；

还可选择性地直接从具有相位转

换装置㈣的激光谐振腔中产生涡

旋光束等。

涡旋光束已被广泛应用，它不

仅可用于增大激光腔的模体积１２ａ，：舳ｌ，

光的光导［ａｌ－ａｓ］，频率移动１３４１，角动

量的改变㈣，而且还可以作为在自

聚焦介质中的暗孤子ｌ匏’ａＳ，ｓｒｌ。涡旋

光束所拥有的轨道角动量更可用

于自由空间光通信的信息解码［３８１。

不过，最为突出的还是其在光学微

操控领域中的应用，如对微粒和原

子的光陷［ａｐ，４０ｌ，捕获和引导粒子［４０Ａ１．１，

旋转吸收的粒子【衢ｌ等。

在现代技术中光操控被誉为

是一项非凡的技术，运用梯度力和

散射力的原理，通过这项技术我们

便可以实现控制微粒的运动。涡旋

光场在光学微控领域的应用已经

导致了人们对光场中光学角动量

的大量研究，尤其是拉盖尔一高斯

光场【衢’笆ｌ和高阶贝塞尔光场ｌ蛾ｔ４ｌ。由

于梯度力，微粒可被陷于此种涡旋

光中，而通过散射或吸收，微粒又

可因角动量转换，沿着光场的环状

光强分布旋转【匏埘ｌ。例如在单环拉

盖尔一高斯光束的环状光强分布

场中，我们可以人为控制地装入一

定数量的胶质微粒。最近，Ｗ．Ｍ．

Ｌｅｅ等嘲研究了源于被陷拉盖尔一

图１螺旋相位板

中国光学期刊网、Ｍ＾ｎ＾，．ｏｐｔｉｃｓｊｏｕｒｎａｌ．ｎｅｔ５１

＿

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ＲＥＶＩＥＷ

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８６Ｊａｎ．２００８

上海瞬渺光电技术有限公司

ＶＯＬ．４５

Ｎ０．１

　

万方数据

涡旋光束和光学涡旋

作者：陆璇辉， 黄慧琴， 赵承良， 王将峰， 陈和， LU Xuanhui， HUANG Huiqin， ZHAO Chengliang， WANG Jiangfeng， CHEN He

作者单位：浙江大学光学研究所,浙江,杭州,310027

刊名：

激光与光电子学进展

英文刊名：LASER & OPTOELECTRONICS PROGRESS

年，卷(期)：2008，45(1)

被引用次数：4次

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76.Filippus Stefanus Roux Dynamical behavior of optical vortices 1995(07)

77.Kevin O'Holleran.M.J.Padgett.M.R.Dennis Topology of optical vortex lines formed by the interference of three,four,and five plane waves 2006(07)

78.Lucian-Cornel,Gabriel.Crasovan Molina-Terriza.Juan P.Torres Globally linked vortex clusters in trapped wave fields 2002(03)

相似文献(8条)

1.期刊论文陆璇辉.陈和.赵承良涡旋光束和光学涡旋的研究-红外与激光工程2007,36(z1)

近年来,涡旋光束由于在囚禁和操控原子及其他微粒中的应用而引起了不少关注和研究.涡旋光束在光束的传播方向上有一个位相项e(ilθ),而且它拥有一个光束轨道角动量,如何从一个高斯基模变换到涡旋光束,已经提出了许多方法,比如在腔内放螺旋位相片直接产生,用计算机得到的位相片产生,用柱面镜或楔形镜产生光学涡旋.此外,在光纤中涡旋也能产生,比如可以使用光子晶体光纤作为一个非线性的两维光子晶体来产生光涡旋孤子.而在螺旋光纤中,纯的光学涡旋或者光学涡旋和TE及TM模式一起以高阶模形式出现,纯的模式在螺旋光纤传导中,会加上一个和内禀角动量以及螺旋立体角成比例的拓扑位相,而且HE和EH模式的工和y分量的分布模式在传输时也有旋转.1997年,E Abramochkin用一个图像旋转腔来产生一个涡旋激光束,在钝角三角形腔中用一个Dove棱镜来旋转光束,随着不同的棱镜旋转角度,可以得到不同的螺旋类型的激光光束.2003,Arlee V Smith在一个图像旋转腔的纳秒级光学参量振荡器里获得了涡旋光束,它的种子光和腔轴失调,在腔中形成了4个有着固定位相差的稳定模式,从而输出耦合成为一个涡旋光束.文中介绍用一种失调的多模光纤来做一个旋转腔,而把高斯基模光转换为一个涡旋光束的方法.在实验中,光源采用He-Ne的基模高斯光束,当激光束倾斜入射在光纤耦合器时,出射光场的模式会随输入位置和输入角而改变,在实验中用的是多模光纤,分别得到了顺时针和逆时针的涡旋光束, '还的到了环状空心光束.用光强分布仪记录了光束的分布,得到了不同尺寸光纤纤芯的光强分布图;测量了光束转换耦合效率,结果是涡旋光束的耦合输出效率达到了80%以上;空心光束的耦合输出效率达到了50%以上.另外,对于失调耦合器下多模光纤产生光学涡旋的理论分析和研究也将进一步研究.由于这种方法产生的光束稳定性很好,不仅可以产生实验所需要的光束,还可以把这种光束传输到所需要的地方,因此,应用前景很广,如操控原子、微粒和细胞等,也是一种特殊的光镊.

2.期刊论文仓吉.张逸新.CANG Ji.ZHANG Yi-xin大气湍流中部分相干聚焦涡旋光束的传输特性-光子学报

2009,38(5)

基于广义惠更斯-菲涅耳原理和相位结构函数的平方近似,研究了部分相干高斯-谢尔模型涡旋光束被聚焦后在大气湍流中的传输特性,得到了焦平面上光强解析表达式.利用该表达式,详细研究了该类光束在大气湍流中传输焦平面上的光强分布特性.结果表明:在大气湍流中,随着传输距离的增加,涡旋光束的奇异性逐渐降低.对于拓扑荷大的以及空间相干长度较长的涡旋光束,光束奇异性的保持相对要好.在一定的焦距长度和湍流大气条件下,我们可以通过调整光源的拓扑荷和相干长度控制焦面光强分布和焦斑大小.另外,有一定拓扑荷的涡旋光束可以在一定程度上降低大气湍流对传输光束焦面光强分布的影响.

3.期刊论文张玉虹计算机制作产生涡旋光束的振幅全息图-内江科技2010,31(8)

采用平面波和高斯光波叠加,利用MATLAB编码的方法实现对干涉项为负的区域填充,得到包含单拓扑荷和双拓扑荷的涡旋光束的振幅全息图,然后通过拍照的方法将其复制在透明片上形成螺旋波带片.

4.期刊论文仓吉.张逸新.徐建才.CANG Ji.ZHANG Yi-xin.XU JIAN-cai大气湍流中高斯空心涡旋光束的焦面光强

分布-光子学报2009,38(8)

运用广义惠更斯-菲涅耳原理和相位结构函数的平方近似,研究了聚焦高斯空心涡旋光束通过湍流大气传输后在焦平面内的光强分布的理论模型,同时分析了不同大气折射率结构常数C2n、聚焦距离、光束拓扑荷和湍流外尺度对焦面光强分布特性的影响.结果表明:随着聚焦距离的增加,焦面光强分布由中央凹陷状向高斯分布转变.弱湍流对焦面光强分布的影响可以忽略;高拓扑荷光束在湍流大气中传输时光波奇异性的保持较低拓扑荷奇异光束要强;随着湍流外尺度增加,焦面光强分布的中央凹陷状变浅,光强分布变平滑.

5.期刊论文饶连周.RAO Lian-zhou聚焦部分相干涡旋光束的传输和相干特性-光子学报2009,38(9)

根据部分相干光的传输理论,研究了部分相干高斯-贝塞尔涡旋光束通过光阑透镜聚焦后的传输和空间相关性质.数值计算结果表明,涡旋暗核的大小和焦平面上的光谱相干度都取决于入射光的拓扑电荷n、截断参量δ、相对相干长度σg和参量α.当选择适当的参量,在几何焦点附近会出现局域空心光束.研究还发现在焦面上光谱相干度会产生一个或多个的相位奇点(相干涡旋),而且拓扑电荷和相对相干长度会对相干涡旋的位置和个数产生影响.在相干极限下,相干涡旋可逐渐演变为光学涡旋.

6.期刊论文李晓青.徐建波.王强.Li Xiaoqing.Xu Jianbo.Wang Qiang涡旋光束的轨道角动量分析-山东师范大

学学报（自然科学版）2009,24(3)

通过对二元多阶螺旋相位板的输出光场的轨道角动量计算分析,得出了拓扑荷取整数时输出主光学涡旋最大轨道角动量及次轨道角动量的条件.分析了当轨道角动量取非整数值时每个因子的密度分布及控制光束结构的Gouy相位因子的取值情况.

7.期刊论文王浩.杨德兴.甘雪涛.赵建林.任小元.姜宏振.Wang Hao.Yang De-xing.Gan Xue-tao.Zhao Jian-lin.

Ren Xiao-yuan.Jiang Hong-zhen平面涡旋光干涉的分析-光学学报2009,29(2)

光学涡旋具有独特的相位奇点和螺旋相位结构, 多个涡旋光场之间的干涉呈现出新颖的强度和相位分布特征.通过在平面波背景中嵌入涡旋相位产生平面涡旋光场, 采用数值模拟方法研究了多个平面涡旋光场之间的干涉, 并分析了两个平面涡旋光场的中心间距及拓扑荷值对涡旋产生和湮灭的影响.进

一步数值研究了对称分布的多个点涡旋光之间的干涉, 结果表明通过改变涡旋光束数目或者拓扑荷值, 可获得不同分布的对称涡旋阵列光场.利用计算全息并通过空间光调制器, 实验上实现了具有不同拓扑荷值的多个对称点涡旋光场的干涉, 其干涉图样与模拟结果吻合.实验结果不仅证实了数值模拟结果, 也为实验研究复杂涡旋光场的干涉提供了一种有效方法.

8.期刊论文王瑞霞.徐建波.吴同彩.李平.WANG Ruixia.XU Jianbo.WU Tongcai.LI Ping阵列涡旋光束的轨道角动

量特性-河北师范大学学报（自然科学版）2010,34(6)

从近轴条件下光束轨道角动量理论出发,分析光束的轨道角动量,计算矩形对称的严格周期性阵列光学涡旋的轨道角动量,得每单元格的轨道角动量是确定的,并不与测量轴有关;但是单元格的轨道角动量取决于单元格的选择.分析由三束平面波干涉而得的涡旋阵列光子的轨道角动量,并验证了结论.

引证文献(3条)

1.王涛.蒲继雄涡旋光束单缝衍射的理论和实验研究[期刊论文]-中国激光 2009(11)

2.李晓青.徐建波.王强涡旋光束的轨道角动量分析[期刊论文]-山东师范大学学报（自然科学版） 2009(3)

3.任煜轩.周金华.吴建光.李银妹全息光镊-光镊家族中极具活力的成员[期刊论文]-激光与光电子学进展

2008(11)

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下载时间：2011年4月19日