渦旋光簡介

在光學中，有一類光束具有螺旋相位波前結構或者相位奇點的特殊光場分布，其波前沿傳播方向上的軸螺旋前進，這種旋轉導致光束在光軸處相互抵消，投影到一個平面上看起來像中心暗孔的光環，這類光波通常被稱作"光學渦旋(Optical Vortices,簡稱OV)"。光學渦旋具有三大主要特性：螺旋相位波前結構、確定的光子軌道角動量(OAM)以及暗心結構。

首先，光學渦旋主要被應用光學微操縱技術。與傳統方法相比，光學為操縱具有無接觸、無損傷、可靠性高、重復性高、尺度小等特點，光子在對微觀粒子的微操縱方面具有自己獨特的優勢。渦旋光束是具有螺旋形相位分布的光束，其表達式中帶有相位因子，光束攜帶軌道角動量，其中 l 稱為拓撲荷值。由于渦旋光束具有軌道角動量，所攜帶的軌道角動量可以傳遞給微粒，以驅動微粒旋轉，還可以實現對微米、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用前景，利用渦旋光束的軌道角動量可對信息進行編碼與傳輸。這種新型的編碼方式有很多獨特的優點。普通計算機為0,1二進制編碼，而渦旋光拓撲荷可任意改變，增加編碼程度，可用于密碼通信，具有以下兩種優勢。

1)由于拓撲荷值l的取值可以為整數，零，甚至分數，所以有很高的編碼能力。

2)具有更高的保密性。

由于光子軌道角動量本征態在數學上構成了一組完備的正交基矢, 因此可以利用軌道角動量來實現高維信息的編碼, 這種優勢不僅體現在經典光通信領域, 也體現在量子通信領域。

渦旋光的產生

傳統上渦旋光的產生主要有叉形光柵、螺旋相位版、柱透鏡組合和集成軌道角動量發射器這幾種方法。而隨著技術的進步，空間光調制器(產品介紹)由于其可以實時高速刷新、針對多種不同波長、高精度和靈活性，成為了目前制備光子軌道角動量最廣泛采用的設備。

平行高斯光入射，偏振方向為水平，和LCOS的液晶排列方向相同，垂直入射。經過SLM的調制，反射光經過透鏡聚焦，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中心清晰的奇點。SLM上加載的相位圖可以變換拓撲荷值，例如下圖所示拓撲荷值l分別為1，2，3。

濱松可以提供免費的相位圖生成軟件，用戶只需輸入拓撲荷值，即可生成相應相位圖。

生成的渦旋光光斑如下圖所示。

影響渦旋光光斑質量的因素

1)SLM精度。影響渦旋光光斑質量的因素，主要是由SLM的調制精度所決定的。因此，對于渦旋光相關的應用，與精度相關的參數，如線性度、衍射效率、表面平整度等，就是在選擇SLM時需要關注的幾個關鍵參數。

濱松SLM的主要優勢之一就是它的精度非常高，能保證渦旋光的調制精度和光斑的質量，例如l=1的渦旋光光斑，用不同品牌不同精度的SLM調制出來的效果如下圖，可以看出精度差的SLM會導致光斑奇點不圓。

其中線性度還影響SLM使用的方便性，線性度差的SLM需要用戶手動進行LUT定標，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節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，請見如下實驗。

4)入射光沒有對準液晶中心。這時會發現奇點的位置是偏移的，通過調節光路，或者在LcosControl軟件中調節相位圖的位置偏移。

審核編輯 黃宇