涡旋光束的简介＊

徐文君，牛素俭，塔西买提·玉苏甫

涡旋光束的简介＊

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）

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。

涡旋光束；螺旋相位板；光学参量振荡器；中红外涡旋光束

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，其具有螺旋相位波前或相位奇点，相位分布中含有exp（）项，为旋转方位角，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。

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，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、子或染色体的微操控、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。

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（），其中为涡旋光束的拓扑荷数，一般情况下为整数，为光束的旋转方位角。当光束沿着轴传播时，拓扑荷数为的涡旋场可以用如下计算式描述：

（，，，）=（，）exp（）exp（﹣）

由上式可以明确看出，exp（）决定了涡旋场的相位分布，涡旋场沿着传播方向形成螺旋形波前，环绕光轴一周光束相位改变2π，在相位的中心位置有一个相位奇点，此处的相位波前干涉相消，因此振幅为0。

高质量涡旋光束的产生，使得涡旋光束在原子、光学、材料科学、生物医学等众多领域中得到广泛应用。涡旋光束可通过多种方法获得，且有较高的光束质量，这为涡旋光束的应用奠定了基础。这些方法主要包括：几何光学模式变换法、螺旋相位板法、螺旋波面计算全息法、基于可编程空间光调制器的方法、中空波导法、旋转镜面光学参量振荡器法等，且具有螺旋模式的激光束也可以由经过特殊设计的激光器直接输出[9-12]。

几何光学转换法是较早提出产生涡旋光束的方法。通过使用光学器件改变入射激光的模式，得到不同拓扑荷的涡旋光束，这种基于光学器件得到涡旋光束的方法虽然转换效率较高，但是欠缺灵活性；螺旋相位板也是较早提出的方法，通过螺旋相位板的相对梯度变化，可以得到不同大小拓扑荷的涡旋光场，虽然高质量的螺旋相位板的制作较为困难，但是其较高的转换效率，使得螺旋相位板在实际中的应用较为广泛；计算全息法是利用衍射光学元件来产生涡旋光束，通过用计算机模拟和调制可得到任意大小的高阶涡旋，且衍射效率相对满足需求。由此，计算机全息法已成为实验中产生涡旋光束最主要的方法。

利用以上方法产生的涡旋光束大都属于可见光与近红外波段，且这些方法是一个线性的响应输入光束，所有设备都可以产生一个单一波段的螺旋相位涡旋光束。然而，为了满足各种应用领域的需求，波长调换是需要的，可以用非线性晶体来实现涡旋光的频率变换。可以利用光学倍频、和频、差频、参量放大和参量振荡完成涡旋光束频率的转换。但本文主要介绍光学参量振荡器，这种方法产生的涡旋光束很有可能被用来研究分子光谱学和有机材料加工的新领域。螺旋相位板及其3D扫描图如图2所示。

3 光学参量振荡器产生可调谐中红外波段的涡旋光束

波长为3～5 μm波段的激光通常被称为中红外激光，该波段属于大气窗口，对雾霾、粉尘具有较强的穿透性，受气体分子吸收和悬浮颗粒的影响较小。且该波段涵盖了许多原子和分子的吸收峰，因此该波段在光电对抗、激光光谱学、大气监测、医疗卫生、无线光网络以及空间光通信等领域有着越来越重要的应用价值和前景。中红外光学参量振荡器具有其他固体激光器不可替代的优点，已成为许多研究领域不可或缺的光源。尤其是连续波中红外光学参量振荡器适合应用于高精度的光谱分析。与目前中红外传统的激光相比，利用技术成熟的近中红外涡旋激光抽运光学参量频率转换实现在中红外波段相干涡旋光输出是一种效率更高的技术。产生的可调谐中红外波段的涡旋光，涡旋光将会被更好地应用于材料的加工、分子光谱学等方面。

光参量振荡器[13]（Optical Parametric Oscillator，简称OPO）是一种利用非线性晶体的混频特性实现光学频率变换的器件，同时它又是波长可调谐的相干光源。具有调谐范围宽、效率高、结构简单及工作可靠等特点，可获得宽带可调谐、高相干的辐射光源。光学参量振荡器的参量放大实质上是一个差频产生的三波混合过程。在差频过程中，每湮灭一个频率的光子，同时要产生两个低频光子，在此过程中的两个低频波获得增益。这两个低频波被称为信号光（signal）和闲频光（idler）。如果信号光、闲频光与泵浦光（pump）多次经过非线性晶体，它们可以得到多次的放大。光学参量振荡器的光路如图3所示。

图3 光学参量振荡器光路图

其中泵浦源可利用各种固体激光器，调谐方式有温度调谐、角度调谐和泵浦波长调谐等，激光器产生的光是具有一定频率的激光，通过螺旋相位板将激光转化为涡旋光束。光学参量振荡器中核心元件是非线性晶体，优质的非线性晶体对于OPO实现较大的功率输出、较高的转化效率等起着至关重要的作用。选择合适的非线性晶体是至关重要的，常见的符合上述要求的非线性晶体有ZGP、PPLN、PPLT等。对于谐振腔而言，不同腔镜参数会对输出特性有影响，要选择合适的腔镜降低相应的衍射损耗，以此提高光学参量振荡器转换效率。通过采用准相位匹配的方式，改变非线性晶体的温度和周期，可以产生3～5 μm范围的中红外涡旋光束。

通过采用准相位匹配的方式，改变PPLN非线性晶体的温度和周期，可以产生3～5 μm范围的中红外涡旋光束，实现了高能量、波长连续宽谐调、窄线宽相干涡旋光的输出，这将更有利于涡旋光束在实际中的应用，将为研究分子光谱学、有机材料处理、遥感和生物医学领域提供较大的帮助。

4 总结

本文介绍了涡旋光束的发展历程、制备涡旋光的方法以及涡旋光束的应用。现今，人们对于涡旋光束理解越来越深入，涡旋光学在光学通信、量子计算、光电子学以及远程传感等领域等方面的潜在应用也已经受到越来越多的关注。随着研究的深入，波长连续可调谐、高能量的涡旋光束受到越来越多的重视，光学涡旋的内容及相关应用还会更加丰富。

［1］ALLEN L，BEIJERSBERGEN M W，SPREEUW R J，et al.Orbital angular momentum of light and the transformation of Laguerre-Gaussian laser modes.［J］.Physical Review.A，1992，45（11）：8185-8189.

［2］BARNETT S M，ALLEN L.Orbital angular momentum and non-paraxial light beams［J］.Optics Communications，1994（110）：679-688.

［3］BRETSCHNERDER S，EGGELING C，HELL S W.Breaking the diffraction barrier in fluorescence microscopy by optical shelving［J］.Physical Review letters，2007，98（21）：218103.

［4］UENO Y，TODA Y，ADACHI S，et al.Croherent transfer of orbital angular momentum to excitons by optical four-wave mixing［J］.Optics Expess，2006，17（22）：1560-1563.

［5］刘义东，高春清，高明伟，等.利用光束的轨道角动量实现高密度数据存储的机理研究［J］.物理学报，2007，56（2）：855-858.

［6］WANGJ Y，FAZAL T M，AHMED N，et al.Terabit free-space date transmission employing orbital angular momentum multiplexing［J］.Nature.Photonics，2012，6（7）：488-496.

［7］TOYODA K，MIYAMOTO K，AOKI N，et al.Using optical vortex to control the chirality oftwisted metal nanostructures［J］.Nano Lett，2012，12（7）：3645-3649.

［8］BARADA D，JUMAN G，YOSHIDA T，et al.Constructive spin-orbital angular momentum coupling can twist materials to create spiral structures in optical vortex illumination［J］.Applied Physics Letters，2016，108（5）：051108.

［9］LEACH J，CURTIS S，GRIER G.Structure of optical vortices［J］.Physical Review Letters，2003，90（13）：133901.

［10］BEIJERSBERGEN M W，COERWINKEL R P C，KRISTNENSEN M，et al.Helical-wavefront laser beams produced with a spiral phase plate［J］.Optics Communications，1994，112（5-6）：321-327.

［11］TURNBULL G A，ROBERTSON D A，SMITH G M，et al.The generation of free-space Laguerre-Gaussian modes at millimeter-wave frequencies by use of a spiral phase plate［J］.Optics Communications，1996，127（4-6）：183-188.

［12］BERRY M V.Optical vortices evolving from helicoidal integer and fractional phase steps［J］.Opt，2004，6（2）：259-268.

［13］任钢.中红外光参量振荡器及其应用技术的研究［D］.成都：四川大学，2006.

O43

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.23.003

2095－6835（2019）23－0007－03

徐文君（1994—），女，硕士研究生，主要从事非线性光学的研究。

塔西买提·玉苏甫（1984—），男，副教授，博士后，主要研究方向为非线性光学。

新疆维吾尔自治区自然科学基金（编号：2016D01B047）

〔编辑：张思楠〕