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涡旋光束的轨道角动量调控技术

发布时间：2020-04-26 14:50:44 阅读次数：1911

导读

在光场调控领域，针对涡旋光束的轨道角动量调控是一件非常有意义的工作。本工作中，河南科技大学物理工程学院李新忠教授课题组与山东师范大学蔡阳健教授合作，结合相位重建技术，提出了一种轨道角动量可控的嫁接光学涡旋的产生方法。通过对传统光学涡旋的螺旋相位进行重建，成功实现了一种光环上轨道角动量分布可控且光强保持恒定的嫁接光学涡旋的产生，并且通过光镊实验验证了其微粒操纵特性。该嫁接光学涡旋可在不改变光强分布的条件下，调控光环上局部的轨道角动量的大小和方向，促进了在光学捕获和旋转微粒等领域的潜在应用。该研究成果以“Grafted optical vortex with controllable orbital angular momentum distribution”为题，发表在期刊 Optics Express 上。

团队简介

河南科技大学李新忠教授所带领的光场调控课题组的主要研究方向包括：光场调控技术、动态散斑测量技术等。近年来课题组在中外著名期刊上发表SCI论文50余篇，授权发明专利30余项。发表的论文2017-2020连续四年获“中国光学十大进展”候选成果推荐。

研究背景

近年来，由于涡旋光场携带轨道角动量，在微粒操纵、光学测量、图像处理以及基于轨道角动量的光通信等领域具有重要的应用，是国内外学者广泛重视的光学领域的研究热点。在对涡旋光场的研究中，调控其轨道角动量分布是一个非常重要的研究方向，其在微粒的复杂操纵的应用中具有优势。传统的方法是直接调控涡旋光束的拓扑荷值，但该方法只能得到光环上均匀的轨道角动量分布。为了获得更加多样的轨道角动量分布，具有丰富的轨道角动量分布的非经典光学涡旋和非对称光学涡旋被相继提出。然而这些方法对轨道角动量的分布的调控实质上是基于对光强分布的调控，轨道角动量分布强烈依赖光强分布，而且局部的轨道角动量的大小和方向也未被自由调控。

研究内容

如图1所示，该方法通过对两个螺旋相位进行裁剪并嫁接在一起，从而产生所需的嫁接光学涡旋的螺旋相位。可以看到两个具有不同拓扑荷的螺旋相位完美的嫁接在一起，但是随着拓扑荷值的增大，光学涡旋的半径增大，光强无法完美嫁接在一起。为了克服这个缺点,课题组使用一个狄拉克函数来限制环上的光强分布。最后，基于计算全息技术产生该嫁接光学涡旋的相位掩模板，从而在实验中得到光强恒定且环上局部轨道角动量可控的嫁接光学涡旋。

图1.嫁接光学涡旋的产生原理示意图。

如图2所示，改变嫁接所用的螺旋相位的拓扑荷值的大小和符号。研究发现，第一行的光强分布保持不变并且保持较高的模式纯度（R > 0.92），从第二行的轨道角动量分布可以看出光环上的局部轨道角动量的大小和方向可灵活调控。

图2.不同嫁接拓扑荷的嫁接光学涡旋的光强与轨道角动量分布。

此外，课题组通过光镊实验完成了对该嫁接光学涡旋的局部轨道角动量的大小和方向可控特性的光镊实验验证。如图3所示，研究发现，改变嫁接拓扑荷m₁和m₂的大小时，可以实现单个聚苯乙烯微球以不同的速度在光环的上下两个半环旋转；当m₁和m₂的符号相反时，可以实现两个聚苯乙烯微球在光环上的相对运动。

图3.嫁接光学涡旋操纵3 μm聚苯乙烯微球。

研究总结

该工作提出了一种轨道角动量分布可控的嫁接光学涡旋的产生方法。突破了传统技术调控涡旋光束轨道角动量时，轨道角动量分布强烈依赖光强分布的限制。因此，可以在嫁接光学涡旋的光环上提供了一个大小和方向可控的局部切向力。这将进一步扩展光学涡旋在特殊微粒操纵等领域的应用。

论文链接：

https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-27-16-22930&origin=search

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