涡旋光束的神奇世界
发布时间：2024-04-25 17:02:38
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涡旋现象无处不在，例如当我们打开一个水池下方的漏水阀时，水流呈涡旋状流出，还有热带气旋和龙卷风等，也都是自然界中常见的涡旋现象。 涡旋光束的探索起源于对涡旋系统和光角动量的研究，1970年，Berry和Nye通过波动理论解释了波前错位，将涡旋归因于相位缺陷。
光具有两种角动量，自旋角动量(SAM)对应光的偏振，而轨道角动量(OAM)对应特定的波前空间分布。 在20世纪初，英国物理学家Poynting演示了圆偏振光中光子携带自旋角动量的理论。 然而，光的轨道角动量研究则需等到涡旋光束概念的提出才被广泛关注。
涡旋光束概念的正式提出要追溯到1989年，Coullet[2]等人从流体动力涡旋的启发下，找到了MaxwellBloch方程的涡旋解，并将轨道角动量的概念引入光学领域。 1992年，Allen[3]等人证明了拉盖尔-高斯光束中存在一种不同于自旋角动量的轨道角动量，在其光束表达式中具有一项eiℓθ的相位因子，其中每个光子携带的轨道角动量为ℓℏ。 这一研究标志着涡旋光的正式诞生，使得对携带轨道角动量的光束的研究进入一个新的阶段。
涡旋波片是一种方便且高效的涡旋光束转换器，通过折射率的空间变化来对相位进行调控。 具体来说，涡旋波片通过改变液晶分子基片平面上的取向角，使其快轴取向沿基片径 向一致，沿基片角向连续渐变，从而实现对入射光相位的调控。 由于其快轴方向沿角向连续变 化，所以对 相位的调制也是连续的，出射的涡旋光具有很好的强度连续性，具体效果如下图所示。
图3.不同阶数涡旋波片在偏振片下的显示以及实测效果
相较于传统的光场调控方式，涡旋波片具有高效稳定、操作简易、功能专一的优势； 其真零级特点也帮助实现了较低的波长敏感性、较高的温度稳定性和较大的入射角范围。 相较于空间光调制器，无源涡旋波片更适合于集成式应用，运输方便、成本较低。 此外，当线偏振光入射涡旋波片时，还可产生矢量偏振光束，使得涡旋波片也可以有较为广阔的其他应用拓展。 LBTEK不仅提供了工作波长λ为405-1550nm、阶数m为1-128的不同规格涡旋波片，同时也支持参数规格的灵活定制，以便用户在不同应用场景下的多样化需求。
螺旋相位板通过在石英材质上刻蚀不同厚度的旋转台阶，来实现沿径向方向不同的厚度变化，从而对相位进行调控。 其对入射光偏振不敏感，转换效率较高，但由于制造技术精度所限，目前暂无厚度连续变化的螺旋相位板产品，会导致其沿角向方向相位变化不连续。 因此生成的甜甜圈形状光斑会存在强度不连续的情况，下图所示为拓扑荷数为1时不同阶梯数的螺旋相位板仿真结果。 目前，LBTEK提供工作波长为355/532/1064nm的螺旋相位板，拓扑荷数m也有1和2可供选择。
空间光调制器是通过操控面板上每个像素单元中的液晶分子倾角来改变等效折射率，从而对照射在其上的光波进行相位调制。 空间光调制器具有实时调相位的能力，可以依据需要改变涡旋光束的拓扑荷等参数，具有较高灵活性，且应用广泛，后续还可以用于其他相位调制方案。 但该设备通常较为昂贵，且一般不适用于高功率激光应用。 下图为LBTEK的E19×12-400-800-HDM8型号空间光调制器用于532nm激光产生的一阶涡旋光，除此外还有多种不同型号款式可供选择。
超表面器件是一种基于微米和纳米尺度结构的光学元件，通过精密设计的表面纳米结构调制光的相位、振幅和极化，从而实现对光的高度控制。 超表面器件常常由二维阵列的亚波长尺度的光学天线或其他纳米结构组成，不需要基于一定传播距离即可生成完备的涡旋光束，具有灵活性和紧凑性的优势，但其制造和优化结构的过程相对复杂，需要高度精密的制造技术和复杂的算法进行设计优化，因此成本较大。
计算全息法是基于干涉公式使用振幅调制的方式产生涡旋光，其使用计算机生成涡旋光束与平面波进行干涉生成叉形条纹全息图，从而制成底片，再直接让高斯平面波通过此叉形光栅全息图即可得到涡旋光束。 该方法快速灵活，可以搭配空间光调制器生成涡旋光。 下图为不同拓扑荷的叉形条纹示意图。
图8. 不同阶数的叉形条纹全息图
将一束厄米-高斯光束射入由两个柱面镜构成非轴对称光学系统，如下图所示，通过调节两个柱透镜之间的距离，可以改变初始光束的相位使其发生π/2的变化。 由于厄米-高斯光束与拉盖尔-高斯光束之间的相位差为π/2，因此在适当的条件下厄米-高斯光束将会转化为拉盖尔-高斯光束，从而产生涡旋光。 LBTEK 有多种规格平凸柱面透镜以供选择。
图9. 两柱透镜组成的模式转换器示意图
光纤通信场景中的涡旋光束一般有以下几种方式产生： 应力法、椭圆光纤法、光纤端面刻蚀法、光纤Y型耦合器法等，如果使用自由空间中的模式转换器件，会加大系统的调试难度以及在光纤传输中会造成一定的损耗。 但目前实验上实现的光纤生成涡旋光阶数较低，难以实现高阶拓扑荷数涡旋光。
图10.使用光纤Y型耦合器法产生涡旋光束的示意图[5]
随着时间的推移，涡旋光束已经不再只是实验室中的奇特现象，而是成为应用于多个领域的重要工具。 其独特的轨道角动量为光镊、激光加工、光通信、成像、天文学、3D打印等领域带来了新的可能性。
光镊技术是一类利用光来实现对微粒操纵的光学系统。 涡旋光作为轨道角动量的载体，能够通过传递给被聚焦的粒子从而引起特定粒子的旋转，实现对多个粒子以及其运动模式的操控。
图11.光镊技术示意图
当线偏振光平行于涡旋波片的0°快轴入射到m=1阶涡旋波片时，会产生径向偏振光束，径向偏振光形成的特殊聚焦光场具有穿透性强、光强高度集中等特殊性质，加之其独特的空间结构，使得径向偏振光在金属加工等对偏振特性要求较高的场景下的加工效率约为圆偏振光的2倍。 角向偏振光的聚焦光场相比于其它偏振态分布能够获得更高的宽深比，可以用于加工宽深比要求较高的微孔，除此之外，使用角向偏振光时，可以有效增加超快激光成丝的长度，从而提高激光精密加工的性能和效率，在玻璃切割、半导体加工、精密激光打孔等方面有具有明显优势。
传统显微成像照明系统中，照明光斑大小往往会受到衍射极限的限制而无法获得更小的采样单位。 超分辨显微成像系统利用了拉盖尔-高斯光束的中心奇点特性。 它采用高斯光束作为激发光源，照射荧光分子使其处于激发态并发生自发辐射产生荧光。 然后，在同一位置使用环状拉盖尔-高斯光束照射样本，这将导致在环形范围内处于激发态的荧光分子发生受激辐射而发出长波的耗尽光。 最终，探测器探测中心孔部分产生的荧光，从而实现超越衍射极限的照明光探测精度。
在光通信中，使用涡旋光可以有效地提高通信容量和频谱效率。 前面我们提到涡旋光束表达式中具有一项e iℓθ 的相位因子，其中每个光子携带的轨道角动量为ℓℏ。 ℓ作为轨道角动量模式数理论上可以无穷大，因此理论上可以有无穷多中传播模式，且携带不同轨道角动量的涡旋光之间相互正交，互不影响。 因此，将不同信息加载到具有不同轨道角动量的涡旋光，使其在同一载波上进行传输时，可以实现高保密性的高效率传输。
日冕仪最初是用于观测太阳的日冕和日珥，后来扩展到用于寻找系外行星的研究，其主要原理为遮蔽恒星光从而观测围绕此颗恒星转动的黯淡天体。 使用带有非零偶数阶拓扑荷的涡旋光来观测孔形物体可以实现类日冕效果，将通光孔径内部的光衍射至孔外，孔径内光强为0。 该方法能够对于明亮物体周围的较弱发光物体进行探测，具有很高的成像对比度。
激光3D打印的基本原理是利用激光束对材料进行烧结或熔化，然后通过逐层堆叠的方式，制造出三维结构。 在使用高斯光束进行加工时，可能会因为光斑中心处能量过高而造成材料烧毁。 使用中心孔形的拉盖尔-高斯光束能产生比高斯光束更均匀的温度场，使材料更好的加热融化。
神奇的涡旋光束世界，见证了光场调控领域的不断进步与创新。
[1]Shen, Yijie, et al. "Optical vortices 30 years on: OAM manipulation from topological charge to multiple singularities." Light: Science & Applications 8.1 (2019): 90.
[2]Coullet, P., L. Gil, and F. Rocca. "Optical vortices." Optics Communications 73.5 (1989): 403-408.
[3]Allen, L. et al. Orbital angular momentum of light and the transformation of Laguerre-Gaussian laser modes. Phys. Rev. A 45, (1992): 8185–8189.
[4]Yu, Nanfang, et al. "Light propagation with phase discontinuities: generalized laws of reflection and refraction." Science 334.6054 (2011): 333-337.
[5]Kumar, Ranjeet, et al. "Generation and detection of optical vortices using all fiber-optic system." Optics Communications 281.13 (2008): 3414-3420.
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