渦旋光簡介

在光學(xué)中，有一類光束具有螺旋相位波前結(jié)構(gòu)或者相位奇點(diǎn)的特殊光場分布，其波前沿傳播方向上的軸螺旋前進(jìn)，這種旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致光束在光軸處相互抵消，投影到一個(gè)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(xué)渦旋（Optical Vortices,簡稱OV）”。光學(xué)渦旋具有三大主要特性：螺旋相位波前結(jié)構(gòu)、確定的光子軌道角動(dòng)量（OAM）以及暗心結(jié)構(gòu)。

首先，光學(xué)渦旋主要被應(yīng)用光學(xué)微操縱技術(shù)。與傳統(tǒng)方法相比，光學(xué)為操縱具有無接觸、無損傷、可靠性高、重復(fù)性高、尺度小等特點(diǎn)，光子在對(duì)微觀粒子的微操縱方面具有自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。渦旋光束是具有螺旋形相位分布的光束，其表達(dá)式中帶有相位因子，光束攜帶軌道角動(dòng)量，其中 l 稱為拓?fù)浜芍?。由于渦旋光束具有軌道角動(dòng)量，所攜帶的軌道角動(dòng)量可以傳遞給微粒，以驅(qū)動(dòng)微粒旋轉(zhuǎn)，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(yīng)用前景，利用渦旋光束的軌道角動(dòng)量可對(duì)信息進(jìn)行編碼與傳輸。這種新型的編碼方式有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。普通計(jì)算機(jī)為0,1二進(jìn)制編碼，而渦旋光拓?fù)浜煽扇我飧淖?，增加編碼程度，可用于密碼通信，具有以下兩種優(yōu)勢(shì)。

1）由于拓?fù)浜芍祃的取值可以為整數(shù)，零，甚至分?jǐn)?shù)，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(dòng)量本征態(tài)在數(shù)學(xué)上構(gòu)成了一組完備的正交基矢, 因此可以利用軌道角動(dòng)量來實(shí)現(xiàn)高維信息的編碼, 這種優(yōu)勢(shì)不僅體現(xiàn)在經(jīng)典光通信領(lǐng)域, 也體現(xiàn)在量子通信領(lǐng)域。

渦旋光的產(chǎn)生

傳統(tǒng)上渦旋光的產(chǎn)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(dòng)量發(fā)射器這幾種方法。而隨著技術(shù)的進(jìn)步，空間光調(diào)制器由于其可以實(shí)時(shí)高速刷新、針對(duì)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(dòng)量最廣泛采用的設(shè)備。

下面就介紹一種簡單的產(chǎn)生渦旋光的方法。（參考文獻(xiàn)：https://www.osapublishing.org/ol/abstract.cfm?URI=ol-32-11-1411）

平行高斯光入射，偏振方向?yàn)樗?，和LCOS的液晶排列方向相同，垂直入射。經(jīng)過SLM的調(diào)制，反射光經(jīng)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(diào)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(diǎn)。SLM上加載的相位圖可以變換拓?fù)浜芍?，例如下圖所示拓?fù)浜芍祃分別為1，2，3。

濱松可以提供免費(fèi)的相位圖生成軟件，用戶只需輸入拓?fù)浜芍?，即可生成相?yīng)相位圖。

生成的渦旋光光斑如下圖所示。

影響渦旋光光斑質(zhì)量的因素

1）SLM精度。影響渦旋光光斑質(zhì)量的因素，主要是由SLM的調(diào)制精度所決定的。因此，對(duì)于渦旋光相關(guān)的應(yīng)用，與精度相關(guān)的參數(shù)，如線性度、衍射效率、表面平整度等，就是在選擇SLM時(shí)需要關(guān)注的幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。

濱松SLM的主要優(yōu)勢(shì)之一就是它的精度非常高，能保證渦旋光的調(diào)制精度和光斑的質(zhì)量，例如l=1的渦旋光光斑，用不同品牌不同精度的SLM調(diào)制出來的效果如下圖，可以看出精度差的SLM會(huì)導(dǎo)致光斑奇點(diǎn)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(dòng)進(jìn)行LUT定標(biāo)，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(gè)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(diào)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(qǐng)見如下實(shí)驗(yàn)。（如手機(jī)端無法播放，請(qǐng)復(fù)制鏈接用電腦打開。）

4）入射光沒有對(duì)準(zhǔn)液晶中心。這時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)奇點(diǎn)的位置是偏移的，通過調(diào)節(jié)光路，或者在LcosControl軟件中調(diào)節(jié)相位圖的位置偏移。

渦旋光國內(nèi)客戶應(yīng)用實(shí)例

科研級(jí)相機(jī)對(duì)渦旋光光斑的拍攝

上述實(shí)驗(yàn)是很基本的低階演示實(shí)驗(yàn)，在實(shí)際應(yīng)用中，用戶可能需要對(duì)光斑做一系列的分析，或是產(chǎn)生復(fù)雜的渦旋光及高階的渦旋光，這時(shí)使用普通CCD就不能滿足像質(zhì)和分析的需求了。濱松為這些應(yīng)用提供了科研級(jí)的相機(jī)，包括紅外部分的InGaAs相機(jī)，波長900nm-1700nm；以及可見光部分的CMOS及sCMOS相機(jī)。以下案例就是使用濱松相機(jī)拍攝的高質(zhì)量圖片。

# 紅外相機(jī)

# 可見光相機(jī)