扭转对称光束的产生及其变换过程中的轨道角动量传递

研究了采用扭转柱面镜光学系统将厄米-高斯光束变换成为具有轨道角动量的拉盖尔-高斯扭转对称光束. 采用本征模式分解的方法分析了扭转柱面镜光学变换系统实现光束变换的原理.利用光束传输矩阵和二阶矩理论分析计算了光束经过扭转柱面透镜变换过程中的轨道角动量传递过程，证明光束与透镜系统的轨道角动量交换发生在第一个柱面透镜处，光束经过第一个柱面透镜后，具有的轨道角动量保持不变. 关键词： 轨道角动量 光束变换 扭转对称光束 轨道角动量传递     

利用衍射光栅探测涡旋光束轨道角动量态的研究进展

涡旋光束是一种携带有轨道角动量的光束,在光学扳手、光通信、旋转探测等领域具有重要的应用价值.由于轨道角动量态是涡旋光束的特征值,因此如何探测光束的轨道角动量态分布至关重要.国内外学者已经提出了多种探测涡旋光束的技术,如干涉法、衍射光栅法、多普勒分析法、超材料表面法等.这些技术中,衍射光栅测量法较为简单易行,应用较广.本综述主要介绍了几种当前利用衍射光栅测量涡旋光束轨道角动量态的主流方法,同时也介绍了如何利用衍射光栅来测量光束的轨道角动量谱.     

利用振幅光栅生成拉盖尔-高斯光束的实验研究

拉盖尔高斯(Laguerre-Gaussian,LG)光束由于其独特的相位结构和轨道角动量特性在微粒旋转操纵和信息处理等方面得到了越来越多的重视.对利用振幅型叉状衍射光栅产生LG光束进行了理论分析,采用计算全息图的方法制作了振幅型叉状衍射光栅,实验上获得了角量子数为±1的LG光束,并对光束变换过程中影响光束特性的主要因素进行了讨论. 关键词： 信息光学 拉盖尔高斯光束 计算全息光栅 光束轨道角动量     

对称艾里涡旋光束的传播特性

提出了一种对称艾里涡旋光束.在对称立方相位的基础上引入螺旋相位因子形成新的相位图,加载该相位的高斯光束经傅里叶变换后产生对称艾里涡旋光束.研究表明:对称艾里涡旋光束出现自聚焦现象,且由于轴上涡旋的存在,其中心呈现中空现象,涡旋结构携带的轨道角动量使光束在初始平面处发生旋转,拓扑荷数越大,中空结构越大,旋转角度也越大,而拓扑荷数的正负仅改变光束的旋向.理论分析表明,离轴涡旋在初始平面处,因与光轴中心距离较远,并不会影响对称艾里光束主瓣的能量,即中心并无光强为零区域,但随着传播距离的增加,离轴涡旋逐渐出现在对称艾里光束其中的一个主瓣上.此外,对称艾里光束还可以加载多个离轴涡旋,能同时无损伤地捕获多个微粒.该光束不仅具有自聚焦特性,并且其中心呈中空结构,同时还携带轨道角动量,在光学微操纵与生物医学等方面有潜在应用.     

复杂像散椭圆光束的轨道角动量的实验研究

提出一种直接测量光束的轨道角动量的方法，其原理是把具有轨道角动量的光束照射到一个金属靶上，使其在光束的角动量作用下发生转动. 通过测量靶转动的角度来计算光束的角动量值. 对几种不同参数的光束的轨道角动量进行了测量，获得了轨道角动量与光束参数之间的关系，实验结果与理论分析较好地符合. 关键词： 复杂像散椭圆光束 轨道角动量 测量     

利用光束的轨道角动量实现高密度数据存储的机理研究

光束的轨道角动量本征态可以构建高维Hilbert空间，将之应用于数据存储中，可以实现比传统方法更高的数据存储密度.提出了一种用光束轨道角动量实现高密度数据存储的方法，对存储区域进行相位编码，通过探测透射光束轨道角动量谱(螺旋谱)的特征来区分由相位编码形成的不同数据态.四台阶结构相位编码可以实现57个不同的数据态，有望将数据密度提高为传统方法的近6倍. 关键词： 光束轨道角动量 光学存储 高密度存储     

分数阶双涡旋光束的实验研究

具有分数阶拓扑荷数的涡旋光束的产生及其传输是近几年来人们感兴趣的研究课题． 本文提出了一种新型的分数阶双涡旋光束, 该光束是由两束带有不同分数阶拓扑荷数的涡旋光束共轴叠加产生, 其光强分布为双环结构．我们对该光束分别进行了理论模拟和实验研究．研究表明, 分数阶双涡旋光束的双环携带不同的轨道角动量, 且相互独立地传输．这种新型的涡旋光束相对于整数阶或单个分数阶拓扑荷数的涡旋光束更具有控制多样性, 有望在光学镊子、光学扳手等微粒子操控领域开发新的应用．     

利用相位型衍射光栅生成能量按比例分布的多个螺旋光束的研究

研究了基于计算全息光栅的方法产生能量按比例分布的多个螺旋光束的技术.在计算全息光栅的过程中引入了Gerchberg-Saxton迭代算法,并在此基础上利用位相型空间光调制器产生了具有轨道角动量态的多种光束,实现了多个指定轨道角量子数的螺旋光光场分布.给出了计算机仿真结果和实验结果,表明利用Gerchberg-Saxton迭代算法生成的位相型光栅可以生成多个指定轨道角动量量子数的光束,研究结果对于利用轨道角动量进行信息传输有益.     

部分相干光的轨道角动量及其谱的分析研究

针对光束轨道角动量的研究主要集中在相干光束的研究，而对于部分空间相干光束的轨道角动量研究较少，依据部分相干光的Wigner分布函数推导出部分相干光的轨道角动量表达式，分析了部分相干光的轨道角动量谱特性。采用Mercer展开法得到了轨道角动量谱，计算了给定部分相干光束的轨道角动量谱，讨论了部分相干性对轨道角动量谱的影响。研究结果表明：部分相干光和相干光具有相同的轨道角动量表达式，部分相干光的轨道角动量谱随着相干性的变差而愈发弥散，携带轨道角动量的部分相干光束的轨道角动量谱比不携带轨道角动量的部分相干光束的轨道角动量谱更容易受相干度的影响。     

相对论涡旋高次谐波的产生与调控理论研究

目前,具有螺旋相位波前和环状光强分布的涡旋光束已在光学领域获得了广泛应用,其产生与调控自然成了研究的热点。利用三维粒子模拟程序对双色拉盖尔高斯激光驱动固体等离子激发同时携带自旋角动量与轨道角动量的高次谐波的物理过程进行了研究,根据高次谐波产生过程中的光子能量与角动量守恒定律对其内在物理机制进行了理论分析,并讨论了对谐波阶次、偏振态（自旋角动量）以及拓扑荷数（轨道角动量）进行调控的方法。研究结果为开发高亮度、超短超快、短波长、自旋与轨道角动量可调控的涡旋光束辐射源提供了理论依据,在光学微操控、超分辨成像、光通信以及离子加速等领域具有较大的实际应用前景。     

The angular momentum of light: optical spanners and the rotational frequency shift

An introduction is given to the concepts of the spin and orbital angular momentum of light beams. Both spin and orbital angular momentum can be transferred from a light beam to particles held within optical tweezers, so forming an optical spanner. Each also give rise to a frequency shift when the light beam is rotated. This arises because quarter or half-wave plates and /2 or mode converters play equivalent roles for spin and orbital angular momentum respectively.     

Mechanical equivalence of spin and orbital angular momentum of light: an optical spanner

We use a Laguerre-Gaussian laser mode within an optical tweezers arrangement to demonstrate the transfer of the orbital angular momentum of a laser mode to a trapped particle. The particle is optically confined in three dimensions and can be made to rotate; thus the apparatus is an optical spanner. We show that the spin angular momentum of +/-?per photon associated with circularly polarized light can add to, or subtract from, the orbital angular momentum to give a total angular momentum. The observed cancellation of the spin and orbital angular momentum shows that, as predicted, a Laguerre-Gaussian mode with an azimuthal mode index l=1 has a well-defined orbital angular momentum corresponding to ? per photon.     

多环涡旋光束的实验研究

涡旋光束的产生、传输与应用是当前光学领域热门的研究课题之一.本文提出的新型多环涡旋光束,包括双环涡旋及三环涡旋光束,它是由多束携带不同拓扑电荷数且束腰半径不同的拉盖尔-高斯涡旋光束共轴叠加而成,其光强分布为多环结构.从理论上研究了多环涡旋光束的形成与分布特征,基于共轭对称延拓Fourier计算全息方法生成了多环涡旋光束的计算全息图,并利用一个空间光调制器实验产生了与理论一致的高质量的多环涡旋光束.研究表明多环涡旋光束的各环携带不同的轨道角动量,空间分布保持相互独立.这种新型的多环涡旋光束相对于携带单一拓扑电荷数的涡旋光束,提供了更多的控制参数和更加多样化的结构分布,因此在光学镊子、光学捕获等微操控以及光通信领域具有潜在的应用潜力.     

平板式螺旋相位板的设计与应用

传统的螺旋相位板是一种利用沿方位角方向介质材料高度递增实现对光束相位调控产生涡旋光束的光学器件,由于这种特殊的几何结构特征使其不能通过相位板的叠加而调控出射光束所携带的角量子数.本文基于坐标变换方法将介质材料沿方位角方向折射率不变而高度递增的传统螺旋相位板变换为一种介质材料沿方位角方向高度不变而折射率递增的平板式螺旋相位板.通过理论分析与数值模拟,发现本文所设计的平板式螺旋相位板不仅与传统螺旋相位板一样能够产生高质量的涡旋光束,而且平板式螺旋相位板的高度和涡旋光束携带的角量子数可以根据介质材料的折射率选取而任意调节.为了实际应用的需要,可以通过叠加多层平板式螺旋相位板以获得不同角量子数的涡旋光束.这种平板式螺旋相位板在光传输、光通信等领域具有广阔的潜在应用价值.     

Proposals for the generation of angular momentum from non-uniformly polarized beams

Several optical arrangements using non-uniformly polarized fields are proposed for generating beams with spin and/or orbital angular momentum. By choosing adequately the input beam polarization and the characteristics of the different proposed set-ups we can control the overall angular momentum of the output beam at will. The orbital angular momentum is analyzed with the beam moments theory and the spin term is evaluated using the averaged s₃ Stokes parameter.     

Generalized model for orbital angular momentum states generated by parallel aligned phase wedges

A generalized model of a double-wedge phase element containing two side-by-side parallel phase ramps with arbitrary slope angles is proposed. We study the diffracted optical field of a double-wedge element in terms of orbital angular momentum states. Analytical calculations reveal how the radius and position of the illuminating laser beam affect the composition of orbital angular momentum generated by the phase wedges.     

利用干涉光场的相位涡旋测量拉盖尔-高斯光束的轨道角动量

对拉盖尔-高斯光束经多圆孔衍射屏在远场平面上形成的干涉光场的相位和零值线进行了计算模拟.当入射光束的轨道角动量量子数为零时,实部零值线与虚部零值线在干涉光场中心点不相交,因而在该点上不能形成相位涡旋.当入射光束的轨道角动量量子数为+1和-1时,实部零值线与虚部零值线在干涉光场中心垂直并相交,干涉光场相应位置处的相位涡旋的符号相反.当入射光束的轨道角动量量子数为±2和±3时,有四条零值线相交于干涉光场的中心点上,并且实部零值线和虚部零值线交替分布,该交点处形成的相位涡旋的拓扑荷的值恰好与拉盖尔-高斯光束的轨道角动量量子数相等.这种结果可以用来测量涡旋光束的轨道角动量.     

Rotational motions of optically trapped microscopic particles by a vortex femtosecond laser

The rotational motions of the optically trapped microscopic particles by the vortex femtosecond laser beam are investigated in this paper.Black particles can be trapped and rotated by a vortex femtosecond laser beam very effectively because the vortex beam carries orbital angular momentum due to the helical wave-front structure in assoication with the central phase singularity.Trapped black particles rotate in the vortex beam due to the absorption of the angular momentum transferred from the vortex beam.The rotating directions of the trapped particles can be modulated by reversing the topological charge of the optical vortex in the vortex femtosecond beam.And the rotating speeds of the trapped microscopic particles greatly depend on the topological charges of the vortex tweezer and the used pulse energies.