渦旋光簡介

在光學中，有一類光束具有螺旋相位波前結構或者相位奇點的特殊光場分布，其波前沿傳播方向上的軸螺旋前進，這種旋轉導致光束在光軸處相互抵消，投影到一個平面上看起來像中心暗孔的光環(huán)，這類光波通常被稱作"光學渦旋(Optical Vortices,簡稱OV)"。光學渦旋具有三大主要特性：螺旋相位波前結構、確定的光子軌道角動量(OAM)以及暗心結構。

首先，光學渦旋主要被應用光學微操縱技術。與傳統(tǒng)方法相比，光學為操縱具有無接觸、無損傷、可靠性高、重復性高、尺度小等特點，光子在對微觀粒子的微操縱方面具有自己獨特的優(yōu)勢。渦旋光束是具有螺旋形相位分布的光束，其表達式中帶有相位因子，光束攜帶軌道角動量，其中 l 稱為拓撲荷值。由于渦旋光束具有軌道角動量，所攜帶的軌道角動量可以傳遞給微粒，以驅動微粒旋轉，還可以實現對微米、亞微米微粒的俘獲、平移。

另外，渦旋光在信息編碼上也有較大的應用前景，利用渦旋光束的軌道角動量可對信息進行編碼與傳輸。這種新型的編碼方式有很多獨特的優(yōu)點。普通計算機為0,1二進制編碼，而渦旋光拓撲荷可任意改變，增加編碼程度，可用于密碼通信，具有以下兩種優(yōu)勢。

1)由于拓撲荷值l的取值可以為整數，零，甚至分數，所以有很高的編碼能力。

2)具有更高的保密性。

由于光子軌道角動量本征態(tài)在數學上構成了一組完備的正交基矢, 因此可以利用軌道角動量來實現高維信息的編碼, 這種優(yōu)勢不僅體現在經典光通信領域, 也體現在量子通信領域。

渦旋光的產生

傳統(tǒng)上渦旋光的產生主要有叉形光柵、螺旋相位版、柱透鏡組合和集成軌道角動量發(fā)射器這幾種方法。而隨著技術的進步，空間光調制器(產品介紹)由于其可以實時高速刷新、針對多種不同波長、高精度和靈活性，成為了目前制備光子軌道角動量最廣泛采用的設備。

平行高斯光入射，偏振方向為水平，和LCOS的液晶排列方向相同，垂直入射。經過SLM的調制，反射光經過透鏡聚焦，之后由CCD觀察光斑。SLM加載的相位為螺旋相位，所以調制之后的光的相位就是螺旋形的，用CCD觀察的光斑上可以看到圓環(huán)中心清晰的奇點。SLM上加載的相位圖可以變換拓撲荷值，例如下圖所示拓撲荷值l分別為1，2，3。

濱松可以提供免費的相位圖生成軟件，用戶只需輸入拓撲荷值，即可生成相應相位圖。

生成的渦旋光光斑如下圖所示。

影響渦旋光光斑質量的因素

1)SLM精度。影響渦旋光光斑質量的因素，主要是由SLM的調制精度所決定的。因此，對于渦旋光相關的應用，與精度相關的參數，如線性度、衍射效率、表面平整度等，就是在選擇SLM時需要關注的幾個關鍵參數。

濱松SLM的主要優(yōu)勢之一就是它的精度非常高，能保證渦旋光的調制精度和光斑的質量，例如l=1的渦旋光光斑，用不同品牌不同精度的SLM調制出來的效果如下圖，可以看出精度差的SLM會導致光斑奇點不圓。

其中線性度還影響SLM使用的方便性，線性度差的SLM需要用戶手動進行LUT定標，需要額外的工作才能使用SLM，而濱松良好的線性度便為用戶省去了這個步驟，使操作更為便捷。

2)入射光的偏振純度。有的激光器偏振不純，所以一般我們都建議在入射光路中加入偏振片來調節(jié)偏振方向至與液晶同向。下圖是加入偏振片前后的光斑效果圖。

3)由透鏡聚焦后的光斑效果比不聚焦的要好，請見如下實驗。

4)入射光沒有對準液晶中心。這時會發(fā)現奇點的位置是偏移的，通過調節(jié)光路，或者在LcosControl軟件中調節(jié)相位圖的位置偏移。

審核編輯 黃宇