涡旋光骨骼惊奇难搞定？也不见得嘛！

在之前的小科普中，我们聊到了各种对光的新认知（一键回看：对“光”的新认知，妙不可言！）。其中提到了，普通光波就如同海浪一样平面传播着，但也有某些骨骼惊奇的光，是扭曲旋转着传播的。

呃…并不是这样↑↑↑，而是这样↓↓↓

的确，在光学中，有一类光束具有螺旋相位波前结构，或者相位奇点的特殊光场分布，其波前沿传播方向上的轴螺旋前进，这种旋转导致光束在光轴处相互抵消，投影到一个平面上看起来像中心暗孔的光环，这类光波通常被称作“光学涡旋（Optical Vortices,简称OV）”。

怎么样，酷炫吧！光学涡旋有着三大主要特性：

1）螺旋相位波前结构；

2）确定的光子轨道角动量（OAM）；

3）暗心结构。

首先，光学涡旋主要被应用于光学微操纵技术。与传统方法相比，光学微操纵具有无接触、无损伤、可靠性高、重复性高、尺度小等特点，光子在对介观粒子的微操纵方面具有自己独特的优势。

涡旋光束是具有螺线形相位分布的光束，其表达式中带有相位因子，光束中的每个光子携带的轨道角动量，其中l称为拓扑荷值。由于涡旋光束具有轨道角动量，所携带的轨道角动量可以传递给微粒，以驱动微粒旋转，还可以实现对微米、亚微米微粒的俘获、平移。

另外，涡旋光在信息编码上也有较大的应用前景，利用涡旋光束的轨道角动量可对信息进行编码与传输。这种新型的编码方式有很多独特的优点。普通计算机为0，1二进制编码，而涡旋光拓扑荷可任意改变，增加编码程度，可用于密码通信，而它的优势就在于：

1）由于拓扑荷值l的取值可以为整数，零，甚至分数，所以有很高的编码能力；

2）具有更高的保密性。

由于光子轨道角动量本征态在数学上构成了一组完备的正交基矢，因此可以利用轨道角动量来实现高维信息的编码，这种优势不仅体现在经典光通信领域，也体现在量子通信领域。

传统上涡旋光的产生主要有叉形光栅、螺旋相位版、柱透镜组合和集成轨道角动量发射器这几种方法。而随着技术的进步，空间光调制器（LCOS-SLM）由于其可以实时高速刷新、针对多种不同波长，以及具备高精度和灵活性，成为了目前制备光子轨道角动量最广泛采用的设备。

下面就介绍一种简单的产生涡旋光的方法：

参考文献：Universal generation of higher-order multiringed Laguerre–Gaussianbeams by using a spatial light modulator，其中滨松空间光调制器参与该实验进行光调制。

平行高斯光入射，偏振方向为水平，和空间光调制器（LCOS-SLM）的液晶排列方向相同，垂直入射。经过SLM的调制，反射光经过透镜聚焦，之后由CCD相机观察光斑。SLM加载的相位为螺旋相位，所以调制之后的光的相位就是螺旋形的，用CCD相机观察的光斑上可以看到圆环中心清晰的奇点。SLM上加载的相位图可以变换拓扑荷值，例如下图所示拓扑荷值l分别为1，2，3。

然后，可使用相位图生成软件（硬广一下：滨松可提供免费的哦！），只需输入拓扑荷值，即可生成相应相位图。

而生成的涡旋光光斑就如下图：

这里我们主要从四个方面来说：

影响涡旋光光斑质量的因素，主要是由SLM的调制精度所决定。因此，对于涡旋光相关的应用，与精度相关的参数，如线性度、衍射效率、表面平整度等，就是在选择SLM时需要关注的几个关键参数。

有的激光器偏振不纯，所以一般我们都建议在入射光路中加入偏振片来调节偏振方向至与液晶同向。下图是加入偏振片前后的光斑效果图：

由透镜聚焦后的光斑效果比不聚焦的要好，这里有个简单的实验可以一目了然（大师姐解说的哦~）：

如果入射光没有对准液晶中心，这时会发现奇点的位置是偏移的，通过调节光路，或者在LcosControl软件中调节相位图的位置偏移。

介绍了这么多，这里我们还是来上一下直观的实验，让大家更好的了解如何来对付涡旋光这个大BOSS吧！

* 实验来自于国内涡旋光应用实例，均使用了滨松空间光调制器完成。

利用空间滤波，产生基模高斯光打在空间光调制器上，产生涡旋光。同时与参考光干涉，观察产生的干涉图案，以此来判断涡旋光的拓扑荷。通过图像我们可以看到，实验中产生出了较好的对称的涡旋光，同时可观察到清晰的干涉条纹。

HeNe激光照射到空间光调制器上，用CCD相机观察到涡旋光，将反射的涡旋光打在某二维材料样品上，用荧光光谱仪测试其荧光光谱。用不同拓扑电荷的涡旋光激发某二位材料，从其发射光谱强度可以看出拓扑电荷对其光谱强度有一定影响，同时左旋和右旋的涡旋光对发射光谱也有一定影响。

上述实验是很基本的低阶演示实验，在实际应用中，用户可能需要对光斑做一系列的分析，或是产生复杂的涡旋光及高阶的涡旋光，这时使用普通CCD相机就不能满足像质和分析的需求了。

滨松为这些应用提供了科研级的相机，包括红外部分的InGaAs相机，波长900nm~1700nm；以及可见光部分的CMOS及sCMOS相机。如今已有多个优秀的应用案例：

采用如图4 (a) 的LabVIEW 算法, 从一束标准拉盖尔-高斯光束中分别提取强度信息和相位信息， 其中相位项为exp(ilφ)。让环形的强度分布恰好充满空间光调制器的液晶窗口，对相位矩阵则乘以整数N，从而将原来相位螺旋度提高N 倍，这样修正后的拉盖尔-高斯光束携带的轨道角动量将高达Nl。

这样, 我们就可以让计算机产生的叉形光栅尽量占据更多的像素，如图4 (b)，从而提高衍射轨道角动量光束的品质。利用该技术，我们制备了轨道角动量高达l=150，240，360 三重叠加态和l=30，60，90，120 四重叠加态。 图5 显示的是四重叠加态的理论模拟和实验结果[81]。

关于涡旋光我们就说到这里，如果想了解同样相关该应用的PD产品，可以阅览我们之前的推文——光电二极管（PD）选型难？给你个参数全解析如何！。点击文末“阅读原文”，还能在原文中找到关于涡旋光的更多相关文献。

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