光學(xué)渦旋的衍射特性、生成及檢測(cè)方法的研究.pdf

1、光學(xué)渦旋是一種具有螺旋相位結(jié)構(gòu)的光場(chǎng)，是現(xiàn)代奇點(diǎn)光學(xué)的一個(gè)重要研究分支。光學(xué)渦旋的動(dòng)力學(xué)特性、軌道角動(dòng)量特性和獨(dú)特的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在光學(xué)微操縱、散斑場(chǎng)的研究以及量子通信領(lǐng)域都具有重要的研究?jī)r(jià)值，已經(jīng)受到越來越廣泛的關(guān)注。
　　一方面，光學(xué)渦旋具有軌道角動(dòng)量，可以傳遞給俘獲粒子，使粒子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)等比較獨(dú)特的動(dòng)力學(xué)效應(yīng)。在相同的激光參數(shù)下，采用光學(xué)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(xué)渦旋可以實(shí)現(xiàn)對(duì)粒子的二維或三維的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)操

2、縱，利用陣列光學(xué)渦旋可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微小顆粒的驅(qū)動(dòng)，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(xué)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(qiáng)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(shí)現(xiàn)較低激光功率條件下對(duì)生物細(xì)胞的俘獲與操縱，這對(duì)于減少被俘獲細(xì)胞受破壞的危險(xiǎn)性是非常重要的。近年來已經(jīng)在激光光學(xué)、微粒波導(dǎo)、生物醫(yī)學(xué)、原子光學(xué)和分子光學(xué)中得到廣泛的研究和應(yīng)用。如利用光學(xué)渦旋中空的光束結(jié)構(gòu)作

3、為“勢(shì)管”實(shí)現(xiàn)了對(duì)超冷原子的束縛及中性原子的俘獲等。
　　此外，光學(xué)渦旋的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還是天文學(xué)、超流體、散斑場(chǎng)甚至拓?fù)鋽?shù)學(xué)的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容。光子的軌道角動(dòng)量特性和量子糾纏效應(yīng)，在量子計(jì)算、光學(xué)通信、光電子學(xué)以及遠(yuǎn)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(xué)渦旋的研究與應(yīng)用雖然只有數(shù)十年的時(shí)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(xué)渦旋的研究?jī)?nèi)容及相關(guān)應(yīng)用技術(shù)開發(fā)還會(huì)更加豐富。上述研究工作都需要對(duì)光

4、學(xué)渦旋的光場(chǎng)分布和角動(dòng)量特性有較深刻的理解，在光學(xué)渦旋的衍射特性及其動(dòng)力學(xué)行為，光學(xué)渦旋及陣列的產(chǎn)生方法，以及對(duì)光學(xué)渦旋性質(zhì)的檢測(cè)技術(shù)方面還需要進(jìn)行更深入的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。
　　本文通過對(duì)光學(xué)渦旋研究背景的系統(tǒng)總結(jié)，深入考察了光學(xué)渦旋的研究進(jìn)展情況，包括光學(xué)渦旋的自旋與軌道角動(dòng)量特性，強(qiáng)度梯度力與相位梯度力等動(dòng)力學(xué)行為和光子軌道角動(dòng)量態(tài)的量子糾纏，并對(duì)現(xiàn)有的生成光學(xué)渦旋的方法進(jìn)行了總結(jié)，包括模式變換法、計(jì)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?cè)趯?shí)驗(yàn)中獲得和研究光學(xué)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(xué)渦旋陣列的方法。
　　本論文在此研究基礎(chǔ)之上，討論了光學(xué)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?jǐn)?shù) Talbot效應(yīng)制作陣列照明器產(chǎn)生光學(xué)渦旋陣列的產(chǎn)生方法，并對(duì)光學(xué)渦旋軌道角動(dòng)量和波前檢測(cè)技術(shù)方面進(jìn)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(xué)的

6、研究方法分析了光學(xué)渦旋在介質(zhì)中的傳播，發(fā)現(xiàn)局域性的tanh光學(xué)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(yuǎn)大于Gouy相移，而全局性的r型光學(xué)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(jìn)一步的討論了陣列光學(xué)渦旋的傳播特性，分析了其中局域光學(xué)渦旋的演變和傳播特性，發(fā)現(xiàn)在距離分?jǐn)?shù) Talbot面的一個(gè)離焦面上存在相襯效應(yīng)，在一定的衍射距離時(shí)具有最佳的聚焦強(qiáng)度，這種相襯現(xiàn)象在實(shí)現(xiàn)光學(xué)微操縱時(shí)具有很重要的意義。

7、r>　　2.首次提出基于分?jǐn)?shù) Talbot效應(yīng)的倒格矢理論生成陣列光學(xué)渦旋的方法。我們利用倒格矢理論研究了分?jǐn)?shù) Talbot效應(yīng)，提出利用分?jǐn)?shù) Talbot效應(yīng)來制作稱為“光學(xué)渦旋Talbot陣列照明器”(OVTAI)的衍射光學(xué)元件，通過對(duì)入射光波的調(diào)制實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用，從而產(chǎn)生高度聚焦的光學(xué)渦旋陣列。該方法因?yàn)椴恍枰獜?fù)雜的透鏡系統(tǒng)，光路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，實(shí)用性較高。我們?cè)敿?xì)的討論了設(shè)計(jì)正交長(zhǎng)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(jì)參數(shù)，將設(shè)計(jì)的OVTAI顯示到純相位液晶空間光調(diào)制器上，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性。
　　3.系統(tǒng)分析了干涉法測(cè)量光學(xué)渦旋軌道角動(dòng)量的方法，提出利用球面波與光學(xué)渦旋干涉測(cè)量光學(xué)渦旋軌道角動(dòng)量的方法，發(fā)現(xiàn)利用該方法可以測(cè)量一定范圍內(nèi)的光學(xué)渦旋拓?fù)浜傻目偭?，并通過模擬驗(yàn)證了該方法的可行性。同時(shí)，分析了光學(xué)渦旋之間的干涉，研究了共軛光學(xué)渦旋干涉條紋的形成機(jī)制和測(cè)量原理。
　　4.首次提出利用多針孔干涉儀定量測(cè)量光學(xué)渦旋軌道角動(dòng)量的

9、算法。我們發(fā)現(xiàn)透過多針孔板的遠(yuǎn)場(chǎng)衍射圖樣包含透過多針孔的復(fù)振幅信息。通過適當(dāng)?shù)乃惴梢詮倪h(yuǎn)場(chǎng)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(jìn)一步的確定光學(xué)渦旋軌道角動(dòng)量。我們把這種方法叫做多針孔干涉儀。我們對(duì)該方法的基本原理進(jìn)行了理論推導(dǎo)，通過計(jì)算機(jī)模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性，簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)光學(xué)渦旋波前的三維重建。對(duì)波前的三維重建，基于對(duì)波

10、前的精確測(cè)量。在多針孔干涉儀的理論基礎(chǔ)上，我們認(rèn)識(shí)到，透過多針孔的遠(yuǎn)場(chǎng)衍射圖樣包含了透過這些針孔的復(fù)振幅信息，通過適當(dāng)?shù)姆椒梢詫⑦@些信息準(zhǔn)確的提取出來。如果我們改變多針孔的位置對(duì)整個(gè)波面進(jìn)行掃描，就可以得到整個(gè)波面的抽樣復(fù)振幅信息。如何確定多針孔板的設(shè)計(jì)原則和高效的實(shí)現(xiàn)掃描是問題的關(guān)鍵。我們?cè)诶碚摲治龅幕A(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(jiǎn)明，波前測(cè)量更加精密，實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加直觀。我們利用該方法成功的對(duì)光學(xué)渦旋的波前