简述涡旋光

拉盖尔高斯光束和涡旋光束
拉盖尔高斯光束和涡旋光束是两种常见的光束形态，它们在光学和光子学领域都有广泛的应用。

拉盖尔高斯光束是一种具有特定的轮廓和光强分布的光束，它的横向光强分布呈现高斯分布，纵向则呈现拉盖尔多项式的特定模式。

这种光束具有自聚焦和自扩散的特性，可以应用于光学显微镜、激光器和光通信等领域。

涡旋光束是一种具有自旋角动量的光束，它的光束波前呈螺旋状，具有旋转的动量。

这种光束在光学显微镜、激光器和量子信息等领域具有广泛的应用，如在光学显微镜中可用于检测和测量微小的旋转物体。

拉盖尔高斯光束和涡旋光束的研究与应用对于推动光学和光子
学的发展具有重要的意义。

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Science and Technology &Innovation ┃科技与创新2019年第23期·7·文章编号：2095－6835（2019）23－0007－03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）摘要：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。

关键词：涡旋光束；螺旋相位板；光学参量振荡器；中红外涡旋光束中图分类号：O43文献标识码：A DOI ：10.15913/ki.kjycx.2019.23.0031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 （ilθ）项，θ为旋转方位角，l 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。

ALLEN 等人[1]在1992年首次通过Maxwell 公式推导出了在近轴传播的条件下具有相位结构的拉盖尔-高斯光束，其显著特征是每个光子携带的轨道角动量为，在这个螺旋相位的中心具有奇异性，因此在此处的相位是不确定的，且场振幅在此处也消失了，因此在光束的中心形成了一个暗核。

涡旋光束和光学涡旋陆璇辉黄慧琴赵承良王将峰陈和（浙江大学光学研究所，浙江杭州３１００２７）ＬＵＸｕａｎｈｕｉＨＵＡＮＧＨｕｉｑｉｎＺＨＡＯＣｈｅｎｇｌｉａｎｇＷＡＮＧＪｉａｎｇｆｅｎｇＣＨＥＮＨｅ（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＯｐｔｉｃｓ，ＺｈｅｊｉａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ，Ｚｈｅｊｉａｎｇ３１００２７，Ｃｈｉｎａ）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，ＷｉｌｌｉａｍＨ．Ｃａｒｔｅｒ［２］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［３￣７］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［８］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［９］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［１０￣１５］。

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［１６，１７］，其在传播过程中也保持中心光强为零。

涡旋光束在微粒操控中的应用
随着科技的不断发展，微纳米技术逐渐成为了一个热门的领域。

微纳米技术的发展，离不开微粒操控技术的支持。

而涡旋光束作为一种新兴的操控手段，近年来在微粒操控领域中得到了广泛的应用。

涡旋光束是一种具有自旋角动量的光束，在微粒操控中可以实现高效精确的操作。

涡旋光束的自旋角动量可以通过改变光束的螺旋度来调节，从而实现对微粒的操控。

涡旋光束具有不同的自旋角动量，可以操控不同大小、形状和材质的微粒。

在微粒操控中，涡旋光束主要应用于微粒的旋转、移动、操纵和分离等方面。

通过改变涡旋光束的自旋角动量，可以实现微粒的旋转。

此外，涡旋光束还可以操控微粒的移动，通过改变光束的螺旋度，微粒可以向不同方向运动。

涡旋光束还可以实现微粒的操纵和分离，将微粒按照大小、形状和材质分离出来，实现高精度的微粒操控。

涡旋光束在微粒操控中的应用不仅仅局限于物理领域，还在生物医学领域中得到了广泛的应用。

涡旋光束可以操控生物细胞、细菌等微生物，实现对生物实验的高效操控。

同时，涡旋光束还可以用于制备生物纳米材料，具有广泛的应用前景。

总的来说，涡旋光束在微粒操控中的应用已经得到了广泛的研究和应用。

涡旋光束作为一种新兴的光学操控手段，具有高效、精确、
非接触和无损伤的特点，将在未来的微纳米技术中发挥越来越重要的作用。

matlab 涡旋光束的波前结构涡旋光束是一种在光学领域中非常重要的光束类型。

它具有独特的波前结构，可以用来研究和应用于各种光学现象和器件中。

本文将介绍涡旋光束的波前结构、其形成原理以及在光学领域中的应用。

涡旋光束的波前结构表现为空间上的相位旋转。

相对于普通光束来说，涡旋光束的波前是一种螺旋形的结构。

具体来说，涡旋光束的波前在任意给定平面上的相位分布是一个完全旋转的相位分布。

这种波前结构的形成离不开波束携带的角动量。

涡旋光束形成的主要原因是光束的相位不均匀分布。

通过在光波前引入相位不连续的跳变或梯度，可以使光束的相位沿着径向或者环绕的方式进行旋转。

这种旋转的角动量使得涡旋光束在横截面上具有旋转对称性，同时在传播方向上保持不变。

涡旋光束的形成方法有多种，其中比较常见的一种是使用透镜产生。

当一个光束通过透镜时，由于透镜的衍射效应，光束的相位和振幅会发生变化。

通过合理设计透镜的相位及振幅分布，可以使得光束的波前结构发生变化，从而产生涡旋光束。

涡旋光束具有许多独特的性质和应用。

首先，涡旋光束具有自旋角动量，可以用来研究光与物质之间的相互作用。

其次，涡旋光束的波前结构可以用于调控光场的相位和振幅分布，从而实现光的聚焦、分束和操纵。

此外，涡旋光束还可以应用于光通信、光存储、光传感等领域。

在光通信领域，涡旋光束被用于提高光纤传输的容量和效率。

通过操纵涡旋光束的自旋角动量，可以实现多信道的传输和编码，从而在有限的光纤带宽中传输更多的信息。

此外，涡旋光束还可以应用于光存储和光传感器中。

通过调控涡旋光束的波前结构，可以实现在微小空间尺寸中的高分辨率光学成像和测量。

总的来说，涡旋光束具有独特的波前结构和应用价值。

它在光学领域中被广泛研究和应用，为我们深入理解光与物质相互作用提供了重要的工具和方法。

随着技术的不断发展，涡旋光束的应用将会得到进一步拓展和推广，为光学领域的研究和应用带来更多的可能性。

部分相干涡旋光束
部分相干涡旋光束是一种特殊的光束，具有许多优异的性质。

这种光束的光波前形态呈现出旋转的相位结构，因此被称为涡旋光束。

相较于普通的光束，部分相干涡旋光束在光学应用领域具有更广泛的应用前景。

部分相干涡旋光束的旋转相位结构使得它具有自旋角动量和轨道角动量。

这两种角动量的特性不仅可以被用于光学信息传输和精密操控，还可以被用于光学成像和光谱学等领域。

在成像领域，涡旋光束可以通过其旋转相位结构来增强图像的对比度和清晰度。

同时，在光谱学领域，涡旋光束可以被用于分析材料的结构和性质。

部分相干涡旋光束还具有光学非均相性。

这种非均相性使得涡旋光束可以被用于光学操控和调制。

例如，通过在涡旋光束中加入适当的相位调制器，可以实现对光束的空间调制和相位控制，进而实现对光学图案的操纵和调制。

这种非均相性还可以被用于实现光学波前成像和透镜成像，从而有效提高成像质量和分辨率。

除此之外，部分相干涡旋光束还具有光学自聚焦和自旋轨道耦合等特性。

这些特性使得涡旋光束可以被用于光学传输和通信领域。

例如，在光纤通信领域，涡旋光束可以通过与光纤的耦合来实现光信号的传输和操控。

在光学通信领域，涡旋光束还可以被用于实现光学编码和解码，从而提高光学通信的速度和稳定性。

部分相干涡旋光束是一种具有多种优异性质的光束，可以被广泛应用于光学领域。

通过对其旋转相位结构和非均相性的控制，可以实现对光学信息的操纵和调制，进而实现对光学图案的成像和分析。

未来，随着涡旋光束技术的不断发展和完善，其在光学应用领域的应用前景将会更加广阔。