渦旋光束的簡(jiǎn)介＊

徐文君，牛素儉，塔西買提·玉蘇甫

渦旋光束的簡(jiǎn)介＊

徐文君，牛素儉，塔西買提·玉蘇甫

（新疆師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830054）

渦旋光束已經(jīng)在原子、光學(xué)、材料科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力和前景。渦旋光束的波陣面既不是平面，也不是球面，而是像旋渦狀，具有奇異性。渦旋光束可通過多種方法獲得，且有較高的光束質(zhì)量，為渦旋光束的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。其中，利用螺旋相位板可得到渦旋光束的直接輸出，這種方法可以得到單一模式的渦旋光束輸出，而且可以利用中紅外光學(xué)參量振蕩器得到中紅外波段的渦旋光束，其具有波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)諧、能量較高、轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用前景較為廣泛。

渦旋光束；螺旋相位板；光學(xué)參量振蕩器；中紅外渦旋光束

1 渦旋光束的研究背景及應(yīng)用

自然界中普遍存在著渦旋現(xiàn)象，如大氣渦旋、水渦旋等。光學(xué)渦旋是指一種特殊的光場(chǎng)，其具有螺旋相位波前或相位奇點(diǎn)，相位分布中含有exp（）項(xiàng)，為旋轉(zhuǎn)方位角，為整數(shù)，被稱為拓?fù)浜蓴?shù)。有關(guān)渦旋光的研究，最早可追溯到兩個(gè)世紀(jì)之前，但是激光產(chǎn)生以后才逐漸有了較為清晰的認(rèn)識(shí)。所謂渦旋光束，就是具有連續(xù)螺旋狀相位的光束，即光束的波陣面既不是平面，也不是球面，而是旋渦狀，具有奇異性。渦旋光束具有柱對(duì)稱的傳播性質(zhì)，其光束的渦旋中心是一個(gè)暗核，而且在傳播過程中也保持中心光強(qiáng)為0。渦旋光束的相位波前成螺旋形分布，且其繞著渦旋中心旋轉(zhuǎn)，由于相位波前的旋轉(zhuǎn)，光波攜帶了軌道角動(dòng)量。

隨著對(duì)于渦旋光束的認(rèn)識(shí)逐漸深入，對(duì)于渦旋光束的認(rèn)識(shí)越來越全面，人們開始研究渦旋光束的應(yīng)用領(lǐng)域。由于渦旋光束具有軌道角動(dòng)量，它所攜帶的軌道角動(dòng)量可以傳遞給微粒，以驅(qū)動(dòng)微粒旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)微米、亞米級(jí)微粒的俘獲、平移等光學(xué)為操縱系統(tǒng)[3-4]。特別是渦旋光束與微小粒子相互作用，能夠把軌道角動(dòng)量傳遞給微粒，使微粒旋轉(zhuǎn)，如圖1所示。現(xiàn)在這種技術(shù)已經(jīng)在生物醫(yī)學(xué)方面得到了廣泛應(yīng)用，例如對(duì)于活體細(xì)胞、馬達(dá)蛋白、子或染色體的微操控、分離或純化。另外，渦旋光束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)行編碼和傳輸[5-6]。在信息大爆炸的時(shí)代這無(wú)疑為未來的儲(chǔ)存方式指出了一個(gè)高效、便捷的方法。

圖1 光渦旋光場(chǎng)中粒子的捕獲和旋轉(zhuǎn)

近年來，渦旋光束主要被應(yīng)用于材料的加工。與傳統(tǒng)機(jī)械接觸式方法相比，光學(xué)材料加工具有無(wú)接觸、無(wú)損傷、可操作性高、重復(fù)性高以及尺度小等特殊優(yōu)勢(shì)。尤其是TOYODA等人發(fā)現(xiàn)了渦旋光的螺旋波陣面可以通過激光消融技術(shù)傳送到金屬板，以形成手性納米結(jié)構(gòu)[7-8]。此外，他們還發(fā)現(xiàn)渦旋光波陣面螺旋的旋轉(zhuǎn)方向可直接確定納米結(jié)構(gòu)的手性特征。

2 渦旋光束的產(chǎn)生

渦旋光束是指光束的相位具有連續(xù)螺旋狀結(jié)構(gòu)，也就是說，渦旋光束的波面不是球面，也不是平面，而是像龍卷風(fēng)那樣的螺旋狀，具有相位奇異性，因此也有人稱渦旋光束為螺旋光束。渦旋光束相位分布呈現(xiàn)螺旋狀，所有的渦旋光束的相位分布中都含有相位因子exp（），其中為渦旋光束的拓?fù)浜蓴?shù)，一般情況下為整數(shù)，為光束的旋轉(zhuǎn)方位角。當(dāng)光束沿著軸傳播時(shí)，拓?fù)浜蓴?shù)為的渦旋場(chǎng)可以用如下計(jì)算式描述：

（，，，）=（，）exp（）exp（﹣）

由上式可以明確看出，exp（）決定了渦旋場(chǎng)的相位分布，渦旋場(chǎng)沿著傳播方向形成螺旋形波前，環(huán)繞光軸一周光束相位改變2π，在相位的中心位置有一個(gè)相位奇點(diǎn)，此處的相位波前干涉相消，因此振幅為0。

高質(zhì)量渦旋光束的產(chǎn)生，使得渦旋光束在原子、光學(xué)、材料科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。渦旋光束可通過多種方法獲得，且有較高的光束質(zhì)量，這為渦旋光束的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。這些方法主要包括：幾何光學(xué)模式變換法、螺旋相位板法、螺旋波面計(jì)算全息法、基于可編程空間光調(diào)制器的方法、中空波導(dǎo)法、旋轉(zhuǎn)鏡面光學(xué)參量振蕩器法等，且具有螺旋模式的激光束也可以由經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)的激光器直接輸出[9-12]。

幾何光學(xué)轉(zhuǎn)換法是較早提出產(chǎn)生渦旋光束的方法。通過使用光學(xué)器件改變?nèi)肷浼す獾哪Ｊ?，得到不同拓?fù)浜傻臏u旋光束，這種基于光學(xué)器件得到渦旋光束的方法雖然轉(zhuǎn)換效率較高，但是欠缺靈活性；螺旋相位板也是較早提出的方法，通過螺旋相位板的相對(duì)梯度變化，可以得到不同大小拓?fù)浜傻臏u旋光場(chǎng)，雖然高質(zhì)量的螺旋相位板的制作較為困難，但是其較高的轉(zhuǎn)換效率，使得螺旋相位板在實(shí)際中的應(yīng)用較為廣泛；計(jì)算全息法是利用衍射光學(xué)元件來產(chǎn)生渦旋光束，通過用計(jì)算機(jī)模擬和調(diào)制可得到任意大小的高階渦旋，且衍射效率相對(duì)滿足需求。由此，計(jì)算機(jī)全息法已成為實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生渦旋光束最主要的方法。

利用以上方法產(chǎn)生的渦旋光束大都屬于可見光與近紅外波段，且這些方法是一個(gè)線性的響應(yīng)輸入光束，所有設(shè)備都可以產(chǎn)生一個(gè)單一波段的螺旋相位渦旋光束。然而，為了滿足各種應(yīng)用領(lǐng)域的需求，波長(zhǎng)調(diào)換是需要的，可以用非線性晶體來實(shí)現(xiàn)渦旋光的頻率變換?？梢岳霉鈱W(xué)倍頻、和頻、差頻、參量放大和參量振蕩完成渦旋光束頻率的轉(zhuǎn)換。但本文主要介紹光學(xué)參量振蕩器，這種方法產(chǎn)生的渦旋光束很有可能被用來研究分子光譜學(xué)和有機(jī)材料加工的新領(lǐng)域。螺旋相位板及其3D掃描圖如圖2所示。

3 光學(xué)參量振蕩器產(chǎn)生可調(diào)諧中紅外波段的渦旋光束

波長(zhǎng)為3～5 μm波段的激光通常被稱為中紅外激光，該波段屬于大氣窗口，對(duì)霧霾、粉塵具有較強(qiáng)的穿透性，受氣體分子吸收和懸浮顆粒的影響較小。且該波段涵蓋了許多原子和分子的吸收峰，因此該波段在光電對(duì)抗、激光光譜學(xué)、大氣監(jiān)測(cè)、醫(yī)療衛(wèi)生、無(wú)線光網(wǎng)絡(luò)以及空間光通信等領(lǐng)域有著越來越重要的應(yīng)用價(jià)值和前景。中紅外光學(xué)參量振蕩器具有其他固體激光器不可替代的優(yōu)點(diǎn)，已成為許多研究領(lǐng)域不可或缺的光源。尤其是連續(xù)波中紅外光學(xué)參量振蕩器適合應(yīng)用于高精度的光譜分析。與目前中紅外傳統(tǒng)的激光相比，利用技術(shù)成熟的近中紅外渦旋激光抽運(yùn)光學(xué)參量頻率轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)在中紅外波段相干渦旋光輸出是一種效率更高的技術(shù)。產(chǎn)生的可調(diào)諧中紅外波段的渦旋光，渦旋光將會(huì)被更好地應(yīng)用于材料的加工、分子光譜學(xué)等方面。

光參量振蕩器[13]（Optical Parametric Oscillator，簡(jiǎn)稱OPO）是一種利用非線性晶體的混頻特性實(shí)現(xiàn)光學(xué)頻率變換的器件，同時(shí)它又是波長(zhǎng)可調(diào)諧的相干光源。具有調(diào)諧范圍寬、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及工作可靠等特點(diǎn)，可獲得寬帶可調(diào)諧、高相干的輻射光源。光學(xué)參量振蕩器的參量放大實(shí)質(zhì)上是一個(gè)差頻產(chǎn)生的三波混合過程。在差頻過程中，每湮滅一個(gè)頻率的光子，同時(shí)要產(chǎn)生兩個(gè)低頻光子，在此過程中的兩個(gè)低頻波獲得增益。這兩個(gè)低頻波被稱為信號(hào)光（signal）和閑頻光（idler）。如果信號(hào)光、閑頻光與泵浦光（pump）多次經(jīng)過非線性晶體，它們可以得到多次的放大。光學(xué)參量振蕩器的光路如圖3所示。

圖3 光學(xué)參量振蕩器光路圖

其中泵浦源可利用各種固體激光器，調(diào)諧方式有溫度調(diào)諧、角度調(diào)諧和泵浦波長(zhǎng)調(diào)諧等，激光器產(chǎn)生的光是具有一定頻率的激光，通過螺旋相位板將激光轉(zhuǎn)化為渦旋光束。光學(xué)參量振蕩器中核心元件是非線性晶體，優(yōu)質(zhì)的非線性晶體對(duì)于OPO實(shí)現(xiàn)較大的功率輸出、較高的轉(zhuǎn)化效率等起著至關(guān)重要的作用。選擇合適的非線性晶體是至關(guān)重要的，常見的符合上述要求的非線性晶體有ZGP、PPLN、PPLT等。對(duì)于諧振腔而言，不同腔鏡參數(shù)會(huì)對(duì)輸出特性有影響，要選擇合適的腔鏡降低相應(yīng)的衍射損耗，以此提高光學(xué)參量振蕩器轉(zhuǎn)換效率。通過采用準(zhǔn)相位匹配的方式，改變非線性晶體的溫度和周期，可以產(chǎn)生3～5 μm范圍的中紅外渦旋光束。

通過采用準(zhǔn)相位匹配的方式，改變PPLN非線性晶體的溫度和周期，可以產(chǎn)生3～5 μm范圍的中紅外渦旋光束，實(shí)現(xiàn)了高能量、波長(zhǎng)連續(xù)寬諧調(diào)、窄線寬相干渦旋光的輸出，這將更有利于渦旋光束在實(shí)際中的應(yīng)用，將為研究分子光譜學(xué)、有機(jī)材料處理、遙感和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域提供較大的幫助。

4 總結(jié)

本文介紹了渦旋光束的發(fā)展歷程、制備渦旋光的方法以及渦旋光束的應(yīng)用。現(xiàn)今，人們對(duì)于渦旋光束理解越來越深入，渦旋光學(xué)在光學(xué)通信、量子計(jì)算、光電子學(xué)以及遠(yuǎn)程傳感等領(lǐng)域等方面的潛在應(yīng)用也已經(jīng)受到越來越多的關(guān)注。隨著研究的深入，波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)諧、高能量的渦旋光束受到越來越多的重視，光學(xué)渦旋的內(nèi)容及相關(guān)應(yīng)用還會(huì)更加豐富。

［1］ALLEN L，BEIJERSBERGEN M W，SPREEUW R J，et al.Orbital angular momentum of light and the transformation of Laguerre-Gaussian laser modes.［J］.Physical Review.A，1992，45（11）：8185-8189.

［2］BARNETT S M，ALLEN L.Orbital angular momentum and non-paraxial light beams［J］.Optics Communications，1994（110）：679-688.

［3］BRETSCHNERDER S，EGGELING C，HELL S W.Breaking the diffraction barrier in fluorescence microscopy by optical shelving［J］.Physical Review letters，2007，98（21）：218103.

［4］UENO Y，TODA Y，ADACHI S，et al.Croherent transfer of orbital angular momentum to excitons by optical four-wave mixing［J］.Optics Expess，2006，17（22）：1560-1563.

［5］劉義東，高春清，高明偉，等.利用光束的軌道角動(dòng)量實(shí)現(xiàn)高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的機(jī)理研究［J］.物理學(xué)報(bào)，2007，56（2）：855-858.

［6］WANGJ Y，F(xiàn)AZAL T M，AHMED N，et al.Terabit free-space date transmission employing orbital angular momentum multiplexing［J］.Nature.Photonics，2012，6（7）：488-496.

［7］TOYODA K，MIYAMOTO K，AOKI N，et al.Using optical vortex to control the chirality oftwisted metal nanostructures［J］.Nano Lett，2012，12（7）：3645-3649.

［8］BARADA D，JUMAN G，YOSHIDA T，et al.Constructive spin-orbital angular momentum coupling can twist materials to create spiral structures in optical vortex illumination［J］.Applied Physics Letters，2016，108（5）：051108.

［9］LEACH J，CURTIS S，GRIER G.Structure of optical vortices［J］.Physical Review Letters，2003，90（13）：133901.

［10］BEIJERSBERGEN M W，COERWINKEL R P C，KRISTNENSEN M，et al.Helical-wavefront laser beams produced with a spiral phase plate［J］.Optics Communications，1994，112（5-6）：321-327.

［11］TURNBULL G A，ROBERTSON D A，SMITH G M，et al.The generation of free-space Laguerre-Gaussian modes at millimeter-wave frequencies by use of a spiral phase plate［J］.Optics Communications，1996，127（4-6）：183-188.

［12］BERRY M V.Optical vortices evolving from helicoidal integer and fractional phase steps［J］.Opt，2004，6（2）：259-268.

［13］任鋼.中紅外光參量振蕩器及其應(yīng)用技術(shù)的研究［D］.成都：四川大學(xué)，2006.

O43

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.23.003

2095－6835（2019）23－0007－03

徐文君（1994—），女，碩士研究生，主要從事非線性光學(xué)的研究。

塔西買提·玉蘇甫（1984—），男，副教授，博士后，主要研究方向?yàn)榉蔷€性光學(xué)。

新疆維吾爾自治區(qū)自然科學(xué)基金（編號(hào)：2016D01B047）

〔編輯：張思楠〕