光学涡旋

✍ dations ◷ 2025-07-04 20:31:08 #光学

光学涡旋(optical vortex)也称为光涡,是光学场中的零点,也就是光强度为零的点。自从约翰·奈(英语:John Nye (scientist))和迈克尔·贝里在1974年提出全面性的论文后,就开始了许多光学涡旋性质的研究,论文描述“光波列位错”的基本性质,这个研究后来成为“奇点光学”(singular optics)的核心理论。

在光学涡旋中,光会像螺旋开瓶器一般,沿着其轴扭转。因为其扭转,在轴的位置光会彼此相消。若投影在一平坦表面上,光学涡旋看起来会像一个光环,在中间有一个没有光的黑色区域。这种螺旋形行进,中间黑暗的光,称为光学涡旋。

光学涡旋的拓扑荷(英语:topological charge)定义为其在一个波长的扭转次数,拓扑荷恒为整数,依其扭转方向可能是正数或是负数。拓扑荷越大表示光沿着轴旋转的越快。此自旋会随着光波列而有角动量,若有电偶极矩则会产生力矩。

光的轨道角动量可以由捕获粒子的轨道运动来观察。光学涡旋和平面光的干涉会出现同心螺旋的螺旋相位。

在实验室中有许多方式可以产生光学涡旋。一般可以直接用激光产生,或者用一些方式,将激光光束变成涡旋,例如用电脑产生全息图,螺旋相位延迟的结构,或是材料中的双折射涡旋。

光学奇点是光场中的零点。在场中的相位会沿着零强度的点旋转(因此称为涡旋)。光学涡旋在二维场中为一个点,在三维场中为一条线(其余维数为2)。将场中的相位沿着包围涡流的路径场积分,会得到2π的整数倍。此整数称为光学涡旋的拓扑荷或是强度。

超几何高斯光束(HyGG)在其中心有一个光学涡旋,光束的形式为

为旁轴波动方程含有贝塞尔函数的解(参照近轴近似)。超几何高斯光束中的光子有轨道角动量,其中的正整数也就是光束中央涡旋的强度。圆偏振光的自旋角动量可以被转换成轨道角动量。

有许多的方式可以产生超几何高斯光束,静态螺旋相位板(Static spiral phase plate, SPP)、电脑产生的全息摄影、模式转换(Mode conversion)、q板(英语:q-plate)、s板、空间光调制器(英语:spatial light modulator)及可变形反射镜(英语:Deformable mirror)等。

光学涡旋可用在许多应用中,例如以往只能直接侦测的太阳系外行星可以用旋风星冕仪观测。光镊可以用在处理像细胞大小的物体等,受激发射损耗显微镜(英语:STED microscopy)中也有到光学涡旋的技术。

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