涡旋光束和光学涡旋

摘要：就涡旋光束和光学涡旋的基本特征和原理进行了概述，对其产生、 传播及应用进行了介绍。对涡旋光束和光学涡旋的研究动态进行了叙述， 并对其未来的研究和应用前景进行了展望。

关键词：涡旋光束；光学涡旋；相位奇异性；角动量；螺旋相位；光学操控

1.引言

光学涡旋是随着人们对光认识的深入， 特别激光产生以后才逐渐有了较为清晰的认识。自 19 世纪 Airy[1]发现在透镜的聚焦面上会形成一种奇异的环以后，人们才开始对这种现象进行研究。1973年， William H. Carter根据计算机模拟揭示： 可以通过对光束的极轻微扰动使奇异环产生或消失。之后， G. P. Karman等研究揭示： 奇异环或环的波前错位随着任何非近轴激光束的传递而产生。

此外， 光束参数的变化导致位错反应—— —波前奇异性的不断产生和消失。后来，A. V. Volyar 等提出： 环的主要特征和边缘位错是横向光学涡旋的一种空间运动，这种光学涡旋的基本单元具有相位奇异性， 这是首次用光学涡旋来解释这种现象。M. S. Soskin 等发现在去除很大比例的奇异性光束后，光束在传递过程中又能恢复部分涡旋特征。事实上，对于任何光学现象， 不管是经典的还是量子的， 波涡旋都是固有的。 随着研究的进展， 到20世纪末大量关于光学涡旋的专题论文和评论性文章发表。

涡旋光束和光学涡旋凭借其复杂性和可观的应用前景， 逐渐成为近几年学术界的热门研究课题。

涡旋光束之所以应用非常广泛，特别是在光学操控领域极具优势，是因为涡旋光束所具有的螺旋波面可以聚焦成环形的光陷， 而这个环形的光陷就是光学涡旋。

2.涡旋光束理论基础与研究概况

涡旋光束近几年引起了物理学界的浓厚兴趣。所谓涡旋光束即具有连续螺旋状相位的光束， 换句话说，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。

涡旋光束具有柱对称的传播性质， 此种光束的涡旋中心是一个暗核， 在此光强消失， 其在传播过程中也保持中心光强为零。 涡旋光束的相位波前成螺旋形分布，所以波矢量有方位项， 且其绕着涡旋中心旋转。 而正是因为这个旋转， 光波携带了轨道角动量。L. Allen 等指出拉盖尔原高斯光束具有 f=mq 的螺旋相位结构， 它有显著的每光子 mh 軈 的轨道角动量。 在这个螺旋相位的中心具有奇异性， 因为此处的相位是不确定的， 而且场振幅也消失了，以致在光波的中心形成了 “黑心光束” 。

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