渦旋光束的簡介＊

徐文君，牛素儉，塔西買提·玉蘇甫

渦旋光束的簡介＊

徐文君，牛素儉，塔西買提·玉蘇甫

（新疆師范大學 物理與電子工程學院，新疆 烏魯木齊 830054）

渦旋光束已經在原子、光學、材料科學、生物醫學等眾多領域展現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，且有較高的光束質量，為渦旋光束的應用奠定了基礎。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參量振蕩器得到中紅外波段的渦旋光束，其具有波長連續可調諧、能量較高、轉換效率高等優點，因此應用前景較為廣泛。

渦旋光束；螺旋相位板；光學參量振蕩器；中紅外渦旋光束

1 渦旋光束的研究背景及應用

自然界中普遍存在著渦旋現象，如大氣渦旋、水渦旋等。光學渦旋是指一種特殊的光場，其具有螺旋相位波前或相位奇點，相位分布中含有exp（）項，為旋轉方位角，為整數，被稱為拓撲荷數。有關渦旋光的研究，最早可追溯到兩個世紀之前，但是激光產生以后才逐漸有了較為清晰的認識。所謂渦旋光束，就是具有連續螺旋狀相位的光束，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。渦旋光束具有柱對稱的傳播性質，其光束的渦旋中心是一個暗核，而且在傳播過程中也保持中心光強為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，由于相位波前的旋轉，光波攜帶了軌道角動量。

隨著對于渦旋光束的認識逐漸深入，對于渦旋光束的認識越來越全面，人們開始研究渦旋光束的應用領域。由于渦旋光束具有軌道角動量，它所攜帶的軌道角動量可以傳遞給微粒，以驅動微粒旋轉，實現對微米、亞米級微粒的俘獲、平移等光學為操縱系統[3-4]。特別是渦旋光束與微小粒子相互作用，能夠把軌道角動量傳遞給微粒，使微粒旋轉，如圖1所示。現在這種技術已經在生物醫學方面得到了廣泛應用，例如對于活體細胞、馬達蛋白、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用前景，利用渦旋光束的軌道角動量可對信息進行編碼和傳輸[5-6]。在信息大爆炸的時代這無疑為未來的儲存方式指出了一個高效、便捷的方法。

圖1 光渦旋光場中粒子的捕獲和旋轉

近年來，渦旋光束主要被應用于材料的加工。與傳統機械接觸式方法相比，光學材料加工具有無接觸、無損傷、可操作性高、重復性高以及尺度小等特殊優勢。尤其是TOYODA等人發現了渦旋光的螺旋波陣面可以通過激光消融技術傳送到金屬板，以形成手性納米結構[7-8]。此外，他們還發現渦旋光波陣面螺旋的旋轉方向可直接確定納米結構的手性特征。

2 渦旋光束的產生

渦旋光束是指光束的相位具有連續螺旋狀結構，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撲荷數，一般情況下為整數，為光束的旋轉方位角。當光束沿著軸傳播時，拓撲荷數為的渦旋場可以用如下計算式描述：

（，，，）=（，）exp（）exp（﹣）

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

高質量渦旋光束的產生，使得渦旋光束在原子、光學、材料科學、生物醫學等眾多領域中得到廣泛應用。渦旋光束可通過多種方法獲得，且有較高的光束質量，這為渦旋光束的應用奠定了基礎。這些方法主要包括：幾何光學模式變換法、螺旋相位板法、螺旋波面計算全息法、基于可編程空間光調制器的方法、中空波導法、旋轉鏡面光學參量振蕩器法等，且具有螺旋模式的激光束也可以由經過特殊設計的激光器直接輸出[9-12]。

幾何光學轉換法是較早提出產生渦旋光束的方法。通過使用光學器件改變入射激光的模式，得到不同拓撲荷的渦旋光束，這種基于光學器件得到渦旋光束的方法雖然轉換效率較高，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梯度變化，可以得到不同大小拓撲荷的渦旋光場，雖然高質量的螺旋相位板的制作較為困難，但是其較高的轉換效率，使得螺旋相位板在實際中的應用較為廣泛；計算全息法是利用衍射光學元件來產生渦旋光束，通過用計算機模擬和調制可得到任意大小的高階渦旋，且衍射效率相對滿足需求。由此，計算機全息法已成為實驗中產生渦旋光束最主要的方法。

利用以上方法產生的渦旋光束大都屬于可見光與近紅外波段，且這些方法是一個線性的響應輸入光束，所有設備都可以產生一個單一波段的螺旋相位渦旋光束。然而，為了滿足各種應用領域的需求，波長調換是需要的，可以用非線性晶體來實現渦旋光的頻率變換。可以利用光學倍頻、和頻、差頻、參量放大和參量振蕩完成渦旋光束頻率的轉換。但本文主要介紹光學參量振蕩器，這種方法產生的渦旋光束很有可能被用來研究分子光譜學和有機材料加工的新領域。螺旋相位板及其3D掃描圖如圖2所示。

3 光學參量振蕩器產生可調諧中紅外波段的渦旋光束

波長為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，對霧霾、粉塵具有較強的穿透性，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抗、激光光譜學、大氣監測、醫療衛生、無線光網絡以及空間光通信等領域有著越來越重要的應用價值和前景。中紅外光學參量振蕩器具有其他固體激光器不可替代的優點，已成為許多研究領域不可或缺的光源。尤其是連續波中紅外光學參量振蕩器適合應用于高精度的光譜分析。與目前中紅外傳統的激光相比，利用技術成熟的近中紅外渦旋激光抽運光學參量頻率轉換實現在中紅外波段相干渦旋光輸出是一種效率更高的技術。產生的可調諧中紅外波段的渦旋光，渦旋光將會被更好地應用于材料的加工、分子光譜學等方面。

光參量振蕩器[13]（Optical Parametric Oscillator，簡稱OPO）是一種利用非線性晶體的混頻特性實現光學頻率變換的器件，同時它又是波長可調諧的相干光源。具有調諧范圍寬、效率高、結構簡單及工作可靠等特點，可獲得寬帶可調諧、高相干的輻射光源。光學參量振蕩器的參量放大實質上是一個差頻產生的三波混合過程。在差頻過程中，每湮滅一個頻率的光子，同時要產生兩個低頻光子，在此過程中的兩個低頻波獲得增益。這兩個低頻波被稱為信號光（signal）和閑頻光（idler）。如果信號光、閑頻光與泵浦光（pump）多次經過非線性晶體，它們可以得到多次的放大。光學參量振蕩器的光路如圖3所示。

圖3 光學參量振蕩器光路圖

其中泵浦源可利用各種固體激光器，調諧方式有溫度調諧、角度調諧和泵浦波長調諧等，激光器產生的光是具有一定頻率的激光，通過螺旋相位板將激光轉化為渦旋光束。光學參量振蕩器中核心元件是非線性晶體，優質的非線性晶體對于OPO實現較大的功率輸出、較高的轉化效率等起著至關重要的作用。選擇合適的非線性晶體是至關重要的，常見的符合上述要求的非線性晶體有ZGP、PPLN、PPLT等。對于諧振腔而言，不同腔鏡參數會對輸出特性有影響，要選擇合適的腔鏡降低相應的衍射損耗，以此提高光學參量振蕩器轉換效率。通過采用準相位匹配的方式，改變非線性晶體的溫度和周期，可以產生3～5 μm范圍的中紅外渦旋光束。

通過采用準相位匹配的方式，改變PPLN非線性晶體的溫度和周期，可以產生3～5 μm范圍的中紅外渦旋光束，實現了高能量、波長連續寬諧調、窄線寬相干渦旋光的輸出，這將更有利于渦旋光束在實際中的應用，將為研究分子光譜學、有機材料處理、遙感和生物醫學領域提供較大的幫助。

4 總結

本文介紹了渦旋光束的發展歷程、制備渦旋光的方法以及渦旋光束的應用。現今，人們對于渦旋光束理解越來越深入，渦旋光學在光學通信、量子計算、光電子學以及遠程傳感等領域等方面的潛在應用也已經受到越來越多的關注。隨著研究的深入，波長連續可調諧、高能量的渦旋光束受到越來越多的重視，光學渦旋的內容及相關應用還會更加豐富。

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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的研究。

塔西買提·玉蘇甫（1984—），男，副教授，博士后，主要研究方向為非線性光學。

新疆維吾爾自治區自然科學基金（編號：2016D01B047）

〔編輯：張思楠〕