Science and Technology &Innovation ┃科技与创新
2019年第23期
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文章编号：2095－6835（2019）23－0007－03
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徐文君，牛素俭，塔西买提·玉苏甫
（新疆师范大学物理与电子工程学院，新疆乌鲁木齐830054）
摘要：涡旋光束已经在原子、光学、材料科学、生物医学等众多领域展现出巨大的潜力和前景。涡旋光束的波
阵面既不是平面，也不是球面，而是像旋涡状，具有奇异性。涡旋光束可通过多种方法获得，且有较高的光束质量，为涡旋光束的应用奠定了基础。其中，利用螺旋相位板可得到涡旋光束的直接输出，这种方法可以得到单一模式的涡旋光束输出，而且可以利用中红外光学参量振荡器得到中红外波段的涡旋光束，其具有波长连续可调谐、能量较高、转换效率高等优点，因此应用前景较为广泛。 关键词：涡旋光束；螺旋相位板；光学参量振荡器；中红外涡旋光束中图分类号：O43文献标识码：A DOI ：10.15913/jki.kjycx.2019.23.003
1涡旋光束的研究背景及应用
自然界中普遍存在着涡旋现象，如大气涡旋、水涡旋等。光学涡旋是指一种特殊的光场，其具有螺旋
央行副行长回答提问相位波前或相位奇点，相位分布中含有exp （ilθ）项，θ为旋转方位角，l 为整数，被称为拓扑荷数。有关涡旋光的研究，最早可追溯到两个世纪之前，但是激光产生以后才逐渐有了较为清晰的认识。所谓涡旋光束，就是具有连续螺旋状相位的光束，即光束的波阵面既不是平面，也不是球面，而是旋涡状，具有奇异性。涡旋光束具有柱对称的传播性质，其光束的涡旋中心是一个暗核，而且在传播过程中也保持中心光强为0。涡旋光束的相位波前成螺旋形分布，且其绕着涡旋中心旋转，由于相位波前的旋转，光波携带了轨道角动量。
ALLEN 等人[1]在1992年首次通过Maxwell 公式推导出了在近轴传播的条件下具有相位结构的拉盖尔-高斯光束，其显著特征是每个光子携带的轨道角动量为
，在这个螺旋
相位的中心具有奇异性，因此在此处的相位是不确定的，且场振幅在此处也消失了，因此在光束的中心形成了一个暗核。1994年，BARNETT 等人[2]再次证明在非近轴情况下涡旋光束的轨道角动量还是
印象城市游戏论坛，其中l 是涡旋光束的拓扑荷
数。这一结论为光学涡旋的应用提供了必要的理论基础，为光学涡旋的发展奠定了里程碑式的基础。自此，光学涡旋受到人们的足够重视，得到了飞速发展，其应用价值也逐渐得到体现。灌溉排水学报
随着对于涡旋光束的认识逐渐深入，对于涡旋光束的认识越来越全面，人们开始研究涡旋光束的应用领域。由于涡旋光束具有轨道角动量l ，它所携带的轨道角动量可以传递给微粒，以驱动微粒旋转，实现对微米、亚米级微粒的俘获、平移等光学为操纵系统[3-4]。特别是涡旋光束与微小粒子相互作用，能够把轨道角动量传递给微粒，使微粒旋转，如图1所示。现在这种技术已经在生物医学方面得到了广泛应用，例如对于活体细胞、马达蛋白、子或染体的微操控、分离或纯化。另外，涡旋光束在信息编码上也有较大的应用前景，利用涡旋光束的轨道角动量可对信息进行编码和传输[5-6]。在信息大爆炸的时代这无疑为未来的储存方式指出了一个
高效、便捷的方法。
熊家冢
图1光涡旋光场中粒子的捕获和旋转
近年来，涡旋光束主要被应用于材料的加工。与传统机械接触式方法相比，光学材料加工具有无接触、无损伤、可操作性高、重复性高以及尺度小等特殊优势。尤其是TOYODA 等人发现了涡旋光的螺旋波阵面可以通过激光消融技术传送到金属板，以形成手性纳米结构[7-8]。此外，他们还发现涡旋光波阵面螺旋的旋转方向可直接确定纳米结构的手性特征。2涡旋光束的产生
涡旋光束是指光束的相位具有连续螺旋状结构，也就是说，涡旋光束的波面不是球面，也不是平面，而是像龙卷风那样的螺旋状，具有相位奇异性，因此也有人称涡旋光束为螺旋光束。涡旋光束相位分
变量泵布呈现螺旋状，所有的涡旋光束的相位分布中都含有相位因子exp （ilθ），其中l 为涡旋光束
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＊［基金项目］新疆维吾尔自治区自然科学基金（编号：2016D01B047）
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