光學渦旋的衍射特性、生成及檢測方法的研究.pdf

1、光學渦旋是一種具有螺旋相位結(jié)構(gòu)的光場，是現(xiàn)代奇點光學的一個重要研究分支。光學渦旋的動力學特性、軌道角動量特性和獨特的拓撲結(jié)構(gòu)在光學微操縱、散斑場的研究以及量子通信領(lǐng)域都具有重要的研究價值，已經(jīng)受到越來越廣泛的關(guān)注。
　　一方面，光學渦旋具有軌道角動量，可以傳遞給俘獲粒子，使粒子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)等比較獨特的動力學效應(yīng)。在相同的激光參數(shù)下，采用光學渦旋的光鑷系統(tǒng)軸向束縛力是聚焦高斯光束的幾倍。利用光學渦旋可以實現(xiàn)對粒子的二維或三維的實時動態(tài)操

2、縱，利用陣列光學渦旋可以實現(xiàn)對微小顆粒的驅(qū)動，組裝微流體系統(tǒng)的介觀泵，和制作納米合成材料與器件等。
　　另一方面，光學渦旋的螺旋相位結(jié)構(gòu)使其具有一系列特殊的物理性質(zhì)，如強度呈環(huán)狀分布、具有很小的中心暗斑尺寸、無加熱效應(yīng)等，可以實現(xiàn)較低激光功率條件下對生物細胞的俘獲與操縱，這對于減少被俘獲細胞受破壞的危險性是非常重要的。近年來已經(jīng)在激光光學、微粒波導、生物醫(yī)學、原子光學和分子光學中得到廣泛的研究和應(yīng)用。如利用光學渦旋中空的光束結(jié)構(gòu)作

3、為“勢管”實現(xiàn)了對超冷原子的束縛及中性原子的俘獲等。
　　此外，光學渦旋的拓撲結(jié)構(gòu)還是天文學、超流體、散斑場甚至拓撲數(shù)學的一個重要研究內(nèi)容。光子的軌道角動量特性和量子糾纏效應(yīng)，在量子計算、光學通信、光電子學以及遠程傳感等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用也正在受到越來越多的關(guān)注。
　　光學渦旋的研究與應(yīng)用雖然只有數(shù)十年的時間，但已經(jīng)顯示出極具潛力的應(yīng)用前景。隨著研究的深入，光學渦旋的研究內(nèi)容及相關(guān)應(yīng)用技術(shù)開發(fā)還會更加豐富。上述研究工作都需要對光

4、學渦旋的光場分布和角動量特性有較深刻的理解，在光學渦旋的衍射特性及其動力學行為，光學渦旋及陣列的產(chǎn)生方法，以及對光學渦旋性質(zhì)的檢測技術(shù)方面還需要進行更深入的理論分析和實驗研究。
　　本文通過對光學渦旋研究背景的系統(tǒng)總結(jié)，深入考察了光學渦旋的研究進展情況，包括光學渦旋的自旋與軌道角動量特性，強度梯度力與相位梯度力等動力學行為和光子軌道角動量態(tài)的量子糾纏，并對現(xiàn)有的生成光學渦旋的方法進行了總結(jié)，包括模式變換法、計算全息法、相位板法和利

5、用液晶空間光調(diào)制器等幾種常見的方法，為我們在實驗中獲得和研究光學渦旋的性質(zhì)奠定了基礎(chǔ)。我們還分析了干涉法和螺旋相位濾波法等產(chǎn)生光學渦旋陣列的方法。
　　本論文在此研究基礎(chǔ)之上，討論了光學渦旋的聚焦環(huán)帶結(jié)構(gòu)和在線性介質(zhì)中的傳播特性，提出了利用分數(shù) Talbot效應(yīng)制作陣列照明器產(chǎn)生光學渦旋陣列的產(chǎn)生方法，并對光學渦旋軌道角動量和波前檢測技術(shù)方面進行了研究，取得了一些創(chuàng)新性的研究成果，主要內(nèi)容和結(jié)果如下:
　　1.利用流體力學的

6、研究方法分析了光學渦旋在介質(zhì)中的傳播，發(fā)現(xiàn)局域性的tanh光學渦旋在高斯背景光束中的旋轉(zhuǎn)角速度與核間距的平方成反比，要遠大于Gouy相移，而全局性的r型光學渦旋具有不同的傳播特性，旋轉(zhuǎn)角度與渦旋間的距離無關(guān)。我們還進一步的討論了陣列光學渦旋的傳播特性，分析了其中局域光學渦旋的演變和傳播特性，發(fā)現(xiàn)在距離分數(shù) Talbot面的一個離焦面上存在相襯效應(yīng)，在一定的衍射距離時具有最佳的聚焦強度，這種相襯現(xiàn)象在實現(xiàn)光學微操縱時具有很重要的意義。

7、r>　　2.首次提出基于分數(shù) Talbot效應(yīng)的倒格矢理論生成陣列光學渦旋的方法。我們利用倒格矢理論研究了分數(shù) Talbot效應(yīng)，提出利用分數(shù) Talbot效應(yīng)來制作稱為“光學渦旋Talbot陣列照明器”(OVTAI)的衍射光學元件，通過對入射光波的調(diào)制實現(xiàn)波分復用，從而產(chǎn)生高度聚焦的光學渦旋陣列。該方法因為不需要復雜的透鏡系統(tǒng)，光路設(shè)計簡單，實用性較高。我們詳細的討論了設(shè)計正交長方、有心立方和六角三種陣列結(jié)構(gòu)的OVTAI的基本原理和設(shè)

8、計參數(shù)，將設(shè)計的OVTAI顯示到純相位液晶空間光調(diào)制器上，實驗驗證了該方法的可行性。
　　3.系統(tǒng)分析了干涉法測量光學渦旋軌道角動量的方法，提出利用球面波與光學渦旋干涉測量光學渦旋軌道角動量的方法，發(fā)現(xiàn)利用該方法可以測量一定范圍內(nèi)的光學渦旋拓撲荷的總量，并通過模擬驗證了該方法的可行性。同時，分析了光學渦旋之間的干涉，研究了共軛光學渦旋干涉條紋的形成機制和測量原理。
　　4.首次提出利用多針孔干涉儀定量測量光學渦旋軌道角動量的

9、算法。我們發(fā)現(xiàn)透過多針孔板的遠場衍射圖樣包含透過多針孔的復振幅信息。通過適當?shù)乃惴梢詮倪h場衍射圖樣的逆傅里葉變換中提取這些信息。根據(jù)提取出的相位值，可以進一步的確定光學渦旋軌道角動量。我們把這種方法叫做多針孔干涉儀。我們對該方法的基本原理進行了理論推導，通過計算機模擬和實驗驗證了該方法的可行性，簡單討論了該方法存在的系統(tǒng)誤差和解決方法。
　　5.首次提出利用行掃描多針孔干涉儀實現(xiàn)光學渦旋波前的三維重建。對波前的三維重建，基于對波

10、前的精確測量。在多針孔干涉儀的理論基礎(chǔ)上，我們認識到，透過多針孔的遠場衍射圖樣包含了透過這些針孔的復振幅信息，通過適當?shù)姆椒梢詫⑦@些信息準確的提取出來。如果我們改變多針孔的位置對整個波面進行掃描，就可以得到整個波面的抽樣復振幅信息。如何確定多針孔板的設(shè)計原則和高效的實現(xiàn)掃描是問題的關(guān)鍵。我們在理論分析的基礎(chǔ)上提出了行掃描多針孔干涉法。該方法可以使理論分析更加簡明，波前測量更加精密，實驗結(jié)果更加直觀。我們利用該方法成功的對光學渦旋的波前