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涡旋光束简介

发布时间:2021-04-08 08:33:02 浏览量:1100 作者:Richard

正文


涡旋光

涡旋光束,也成为螺旋光束,是指具有涡旋特性的光束。广义来说,涡旋光束包括相位涡旋光束和偏振涡旋光束两大类。

相位涡旋光束,即光波的相位和波前呈螺旋型,其在柱坐标系(r,φ,z)下的复振幅表达式中含有螺旋相位项eilφ, 其中l可为任一整数。

由于光束中心存在相位奇点,因此相位涡旋光束的光场分布是中空环形。


偏振涡旋光束,即在光场横截面上具有涡旋分布偏振态的光束。与常见的线偏振,椭圆偏振和圆偏振等各向同性偏振光不同,偏振涡旋

光束具有各向异性的偏振态分布,光场横截面中每一点都具有自己独特的偏振方向,表现出很强的矢量偏振特性,因此偏振涡旋光束也

称为矢量光束。


光的自旋角动量与光束的偏振性质紧密相关,而光的轨道角动量则源于光场横截面的复场分布,表征光束的波前性质。


傍轴近似下,涡旋光束的轨道角动量与自旋角动量可分解开,光子的角动量可以表示为:


l为角量子数,也成为拓扑荷,可为任意整数,同时,角量子数l为涡旋光束的特征值,决定了涡旋光束的螺旋波前分布。将将量子数为l

的涡旋光束称为l阶涡旋光束,记作|l>。


偏振参数σ称为自旋量子数,具有-1和+1两个特征值。当σ=+1 时,表示右旋圆偏振光,当σ=-1 时,表示左旋圆偏振光。光场的任意偏

振态均可由具有相反自旋量子数的光子线性叠加而成,如线偏振光就是 |σ=+1> 和 |σ=-1> 的叠加。



二、涡旋光束的应用

涡旋光束在许多领域都有很大的潜在应用价值。在光通信领域,使用涡旋光束会大大扩展信道容量,实现大容量的信息传输。在探测领

域,涡旋光束的旋转多普勒效应可以用于测量旋转体的转速。当涡旋光束作用域物体或者微粒时,光束携带的轨道角动量可以传递给微

粒,控制微粒实现旋转或平移,这一特性可用于研制光镊或光学扳手。


三、常见的涡旋光束

常见的涡旋光束有:拉盖尔-高斯光束(Laguerre-Gauss beams)、贝塞尔光束(Bessel beams)和贝塞尔-高斯光束(Bessel-Gauss

 Beams)。


贝塞尔光束是一种无衍射光束,若在传输路径中存在障碍物,则经过障碍物后一定距离,没有被遮挡的光线会在障碍物后重新干涉,光

场可自我恢复,具有自愈性。


贝塞尔光束具有无限延展的光场结构,这使得其只能为理想的理论模型而无法真实存在,实际中一般采用贝塞尔-高斯光束作为贝塞尔

光束的近似,在有限传输距离内具有与贝塞尔光束相似的无衍射特性,超出最大传输距离后贝塞尔-高斯光束将不再存在。


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