渦旋光場(chǎng)由于具有軌道角動(dòng)量，在量子信息編碼、粒子的旋轉(zhuǎn)與控制、超分辨顯微成像等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值，成為近年來(lái)光學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。在渦旋光束中，拓?fù)浜芍凳且粋€(gè)重要的參數(shù)：在微粒操縱中光束軌道角動(dòng)量與之成正比，而在量子信息編碼中則代表了波分復(fù)用及信息編碼能力。
不同于傳統(tǒng)渦旋光場(chǎng)，完美渦旋光束的中心亮環(huán)半徑不隨拓?fù)浜芍档母淖兌淖?，因此在光纖耦合、傳輸、及大微粒操縱等領(lǐng)域獨(dú)具優(yōu)勢(shì)。自完美渦旋光場(chǎng)的概念產(chǎn)生以來(lái)，由于其具有廣泛的應(yīng)用前景，迅速得到了大量研究組的關(guān)注。
近日，河南科技大學(xué)李新忠教授課題組在基于完美渦旋光場(chǎng)的研究中取得了兩項(xiàng)重要進(jìn)展：
一
可自由調(diào)控的環(huán)形光學(xué)渦旋陣列
在渦旋光場(chǎng)的研究中，光學(xué)渦旋陣列是一個(gè)重要研究方向，其在多微粒操控、高容量量子通訊等領(lǐng)域具有優(yōu)勢(shì)。目前，產(chǎn)生渦旋陣列的方法主要有三種：1、利用特殊微結(jié)構(gòu)材料產(chǎn)生；2、利用達(dá)曼光柵的不同衍射級(jí)產(chǎn)生；3、利用多光束干涉產(chǎn)生。
這三種方法中，多光束干涉產(chǎn)生方法原理簡(jiǎn)潔，得到了較為廣泛的研究。若采用渦旋光束作為疊加光束，該技術(shù)可簡(jiǎn)化為雙光束干涉，并且能產(chǎn)生一種特殊的“摩天輪”式環(huán)形渦旋陣列，形成具有前沿應(yīng)用價(jià)值的均勻環(huán)形光陷阱，如應(yīng)用于原子捕獲、量子兼并氣體及莫特絕緣體轉(zhuǎn)變等方面。然而，該技術(shù)需要兩束特定拓?fù)浜芍档臏u旋光束干涉，一旦選定，其空間結(jié)構(gòu)幾乎不能調(diào)控；此外，其干涉光路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、光路調(diào)整難度較大。
針對(duì)該問(wèn)題，李新忠教授課題組基于完美渦旋光場(chǎng)調(diào)控技術(shù)，結(jié)合傅里葉變換相移技術(shù)；發(fā)展了一種單路光束干涉環(huán)形渦旋陣列產(chǎn)生技術(shù)；這種環(huán)形渦旋陣列空間模式豐富、調(diào)控自由度高、空間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)易，可為光鑷、原子光捕獲、量子寄存器等領(lǐng)域的研究提供一種新型結(jié)構(gòu)光場(chǎng)。該研究成果以“Generation of Circular Optical Vortex Array” 為題發(fā)表在2017年第12期的Annalen der Physik 雜志上[529(12), 1700285(2017)]，并被選為封面論文。
該技術(shù)首先通過(guò)計(jì)算全息技術(shù)產(chǎn)生相位掩膜板；然后，基于光束獨(dú)立傳播原理，通過(guò)調(diào)整相位掩膜板中兩完美渦旋相位平移因子，在遠(yuǎn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了單光路雙光束疊加干涉；通過(guò)調(diào)控其疊加百分比最終獲得了可自由調(diào)控的環(huán)形光學(xué)渦旋陣列（圖2）。由于采用了獨(dú)特的單光路干涉技術(shù)，該方法實(shí)驗(yàn)光路簡(jiǎn)單、生成的陣列結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。
研究發(fā)現(xiàn)，渦旋陣列中的渦旋數(shù)量及符號(hào)滿(mǎn)足公式：N=(l1-l2)，其中，l1, l2分別為疊加時(shí)外、內(nèi)完美渦旋光束的拓?fù)浜芍?，|N|為渦旋陣列中的渦旋數(shù)量，N的符號(hào)即為產(chǎn)生的渦旋陣列中渦旋的符號(hào)（圖3）。通過(guò)對(duì)兩完美渦旋光束施加不同的初始相位差因子Ψ0，可以實(shí)現(xiàn)環(huán)形渦旋陣列的自由旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)方向由Ψ0/(l1-l2)的符號(hào)確定；符號(hào)為正，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)；符號(hào)為負(fù)，則順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，采用多光束完美渦旋疊加，該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)多環(huán)嵌套渦旋陣列；每個(gè)環(huán)上的渦旋數(shù)量及符號(hào)可獨(dú)立自由調(diào)控，若施加不同初始相位差因子，可實(shí)現(xiàn)多環(huán)渦旋的同向/逆向自由旋轉(zhuǎn)調(diào)控（圖4）。
該工作進(jìn)一步豐富了光學(xué)渦旋陣列的空間模式分布，這為微粒操縱、光鑷技術(shù)等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了一種調(diào)控自由度較高的環(huán)形空間結(jié)構(gòu)光場(chǎng)。
論文鏈接：
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/andp.201700285/full
二
完美渦旋光束模式的自由變換
完美渦旋的優(yōu)勢(shì)也恰恰是完美渦旋光場(chǎng)目前面臨困境的根源所在：其模式分布過(guò)于單一，無(wú)法滿(mǎn)足很多領(lǐng)域的應(yīng)用需求。例如：在對(duì)生物微粒操縱時(shí)，光束熱效應(yīng)會(huì)對(duì)生物細(xì)胞產(chǎn)生熱損傷；在操縱不規(guī)則微粒時(shí)，具有非對(duì)稱(chēng)模式分布的渦旋光場(chǎng)更具優(yōu)勢(shì)。此外，在光束整形、光束精確調(diào)控及微加工等領(lǐng)域均要求光束具有更為豐富的模式。
針對(duì)該問(wèn)題，李新忠教授課題組基于傅里葉變換的坐標(biāo)縮放特性，提出了完美渦旋光束的模式自由變換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了完美渦旋光束在圓形與橢圓形之間的自由變換；對(duì)半整數(shù)階橢圓完美渦旋光束，其缺口位置和缺口數(shù)量可自由調(diào)控。并且，在模式變換過(guò)程中，其“完美渦旋”特性能夠很好的保持。該成果以“ Controllable mode transformation in perfect optical vortices” 為題發(fā)表在2018年第2期的Optics Express雜志上[26(2),651(2018)]。
該技術(shù)基于傅里葉變換中的坐標(biāo)縮放性質(zhì)，把完美渦旋掩模板在一個(gè)坐標(biāo)方向進(jìn)行拉伸或壓縮，之后使用橢圓形光闌進(jìn)行振幅調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)了完美渦旋光束模式由圓形轉(zhuǎn)變?yōu)闄E圓形，其橢圓率e由拉伸參數(shù)m決定（見(jiàn)圖1）。在變換過(guò)程中，每一種模式的光束均保持了較高的模式純度（>0.9）。
通過(guò)將掩模板渦旋項(xiàng)替換為圖2中第2、4行所示的渦旋項(xiàng)，可實(shí)現(xiàn)分?jǐn)?shù)階橢圓形完美渦旋光束的缺口位置與多缺口模式的自由調(diào)控變換。將變換后的分?jǐn)?shù)階渦旋模式分解為整數(shù)渦旋模式的疊加，發(fā)現(xiàn)在單缺口及多缺口模式的變換過(guò)程中，其拓?fù)浜芍凳冀K保持不變。此外，隨著缺口數(shù)N的增加，多缺口模式的能量逐漸由l=1、2的整數(shù)階渦旋態(tài)向著兩邊的渦旋態(tài)流動(dòng)。
該工作突破了完美渦旋光束單一模式的限制，實(shí)現(xiàn)了完美渦旋光束多種模式的自由調(diào)控及變換技術(shù)。這將進(jìn)一步拓展完美渦旋光場(chǎng)在特殊微粒操縱、光束整形及激光微加工等領(lǐng)域的應(yīng)用。此外，該技術(shù)有望為其他特殊激光光場(chǎng)的模式調(diào)控及變換提供一種新思路。
論文鏈接：
https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-26-2-651&origin=search
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