1. 研究目的与意义
| 一、文献综述与调研报告：（阐述课题现状及发展趋势，课题的价值、参考文献） 本课题的现状及发展趋势： 含有相位奇点((Phase Singularity)的光束奇点位置处光波的振幅为零，并且围绕相位奇点传输的光束波前呈现螺旋特性，此类光束携带与角向位相分布有关的轨道角动量，称为“光学涡旋”（optical Vortices）或涡旋光束（Vortex beams）[1]。利用光学涡旋场中的光子轨道角动量对物质的可传递性，可以将其应用于对原子、分子、微粒子的亚接触、无损伤的囚禁以及旋转等微操控方面。 最早研究相位奇点的是Whewell，1833年当他在对潮汐现象进行研究时，发现潮汐峰在同潮线相遇时会出现突然消失不见的现象，从而推断一个旋转的潮汐系统存在相位奇点的结论[2]。1974年，Nye和Berry类比晶体中的缺陷来说明光学涡旋的现象，将“波前位错”的概念引入到波动理论中，解释了相位缺陷对光波传输的影响，并验证了光学涡旋存在的根本原因是相位缺陷[3]。1992年，Allen等证明在近轴的条件下，相位因子为exp(ilq)的光学涡旋的光场中每个光子均携带了大小的轨道角动量[4]。1994年，他们同样证明了在非近轴的条件下，光学涡旋的光场中每个光子仍携带了的轨道角动量[5]。该结论为光学涡旋的研究和应用奠定了理论基础。 光学涡旋的产生方法主要有模式转换法、全息光栅法、螺旋相位板法以及液晶空间光调制器法等。1990年，Tamm等通过模式转换成功地将低阶厄米-高斯光束转换成LG涡旋光束[6]。1993年，Beijersbergen等通过两个柱面透镜实现了任意阶的厄米-高斯光束到相应阶的LG涡旋光束的转换[7]。随后，他们利用螺旋相位板（Spiral phase plate, SPP）成功地实现了将一束高斯光束转换成涡旋光束[8]。2002年，Curtis等在液晶空间光调制器上加载螺旋相位图光电再现了光学涡旋[9]。2004年，Lee等人通过在空间光调制器加载计算全息图的方法对入射光波进行调制产生了涡旋光束。2014年，Huang等通过共轭对称傅里 |
| 叶变换产生光学涡旋计算全息图，将其加载在液晶空间光调制器上，产生了无旁瓣的高质量涡旋光束[10]。当前，液晶空间光调制器法因其实时、动态、可控性，已经成为实验室产生光学涡旋最常采用的方法[11-13]。 利用涡旋光束的轨道角动量与物质的相互作用实现微粒操控。1995年，He等发现光学涡旋的轨道角动量可以向微粒进行传递，首次成功实现了光学涡旋对微粒的捕获和操控[14]。2001年，Dholokia利用衍射不变性的贝塞尔涡旋光束作为一种新型的光学势阱，微粒在此束缚场中绕着光轴发生旋转[15]。2005年，Bradshaw等利用LG涡旋光束实现了对粒子的激光捕获和微观操控[16]。2013年，Chen M 等结合空间光调制器和锥透镜产生了环形半径相同的不同拓扑电荷的“完美”光涡，并研究了其整数阶和分数阶涡旋光阱对微粒的光致旋转力学信息[17]。2014年，罗伟等人利用幂指数相位涡旋光束操控微粒的方法，实现了对微粒的定向输运[18]。2015年，Liu等基于全吸收模型和光线追踪法，理论分析并实验论证了飞秒涡旋光束光镊对CuO椭球微粒的操控[19]。 本课题的价值： 尽管光学涡旋已经进行了很多相关的研究，但其尺寸特性、阵列产生与应用等方面还有待更深入研究。光学涡旋作为一种特殊的新型光束，已经在光通信、数据存储、微操控、光学滤波以及生物医学等诸多领域展现了巨大的应用价值和前景。相信随着对光学涡旋研究的不断深入，涡旋光束会在各种学科领域发挥不可忽视的作用。 参考文献： 【1】陈君. 新型光学涡旋的调控与应用研究 [D]. 天津：南开大学博士论文, 2010. 【2】Whewell W. Essay towards a first approximation to a map of cotidal lines[J]. Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 1833, 123: 147-236. 【3】Nye J F, Berry M V. Dislocations in wave trains[C]. Proceedings of the Royal Society of London A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. The Royal Society, 1974, 336(1605): 165-190. 【4】Allen L, Beijersbergen M W, Spreeuw R J C, et al. Orbital angular momentum of light and the transformation of Laguerre-Gaussian laser modes[J]. Phys. Rev. A, 1992, 45(11): 8185. 【5】Barnett S M, Allen L. Orbital angular momentum and nonparaxial light beams[J]. Opt. Commun. 1994, 110(5): 670-678. |
| 【6】Tamm C, Weiss C O. Bistability and optical switching of spatial patterns in a laser[J]. JOSA B, 1990, 7(6): 1034-1038. 【7】Beijersbergen M, Allen L, Van der Veen H, et al. Astigmatic laser mode converters and transfer of orbital angular momentum[J]. Optical angular momentum, 1993, 96: 123-132. 【8】Beijersbergen M W, Coerwinkel R P C, Kristensen M, et al. Helical-wavefront laser beams produced with a spiral phaseplate[J]. Optics Commun. 1994, 112(5): 321-327. 【9】Curtis J E, Koss B A, Grier D G. Dynamic holographic optical tweezers[J]. Optics Commun. 2002, 207(1): 169-175. 【10】Huang S, He C, Wang T. Generation of sidelobe-free optical vortices utilizing object-oriented computer generated holograms[J]. J. Opt. 2014, 16(3): 035402. 【11】S. F. Arnold, L. Allen, M. Padgett. Advances in optical angular momentum [J]. Laser. Photonics. Rev, 2(4): 299-313, 2008 【12】李明月,陈子阳,刘辉等. 涡旋光束的产生与干涉[J]. 物理学报, 59(3):1740-1748,2010 【13】Ostrovsky A S. , ParraoP C., Arrizon V. Generation of the “perfect” optical vortex using aliquiu_crystal spatial light modulator [J]. Opt. Lett. 38(4), 534-536, 2013 【14】He H, Friese M E J, Heckenberg N R, et al. Direct observation of transfer of angular momentum to absorptive particles from a laser beam with a phase singularity[J]. Phys. Rev. Lett. 1995, 75(5): 826. 【15】Arlt J, Dholakia K, Soneson J, et al. Optical dipole traps and atomic waveguides based on Bessel light beams[J]. Phys. Rev. A, 2001, 63(6): 063602. 【16】Bradshaw D S, Andrews D L. Interactions between spherical nanoparticles optically trapped in Laguerre-Gaussian modes[J]. Opt. Lett. 2005, 30(22): 3039-3041. 【17】Chen M, Mazilu M, Arita Y, et al. Dynamics of microparticles trapped in a perfect vortex beam[J]. Opt. Lett. 2013, 38(22): 4919-4922. 【18】罗伟, 程书博, 袁战忠, 等. 幂指数相位涡旋光束用于微粒操控[J]. 光学学报, 2014 (11): 93-97. 【19】Liu C, Guo Z, Li Y, et al. Manipulating ellipsoidal micro-particles by femtosecond vortex tweezers[J]. Journal of Optics, 2015, 17(3): 035402.
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2. 研究内容和问题
基本内容：
光学涡旋是一种具有螺旋相位波前的特殊光场，每个光子均携带确定大小的轨道角动量，因此涡旋光束逐渐成为光学各领域的研究热点。目前得到广泛研究的涡旋光束主要包括：拉盖尔高斯涡旋光束、高阶贝塞尔光束、完美涡旋光束光束等，通过利用空间光调制器（SLM）加载相位全息图的方法实现光电再现的。相位全息图是含有涡旋光束相位信息的灰阶图，一般的螺旋相位全息图再现出来的涡旋光束并不纯净，使得在很多应用中受限。
预计解决的难题：
3. 设计方案和技术路线
研究方法：
在计算全息图中引入数字闪耀叉型光栅技术，改善OV能量的转换效率，以满足自由空间通信的要求。着重研究SLM性能参数、全息图和OV能量转换效率之间的关系，利用光栅理论对SLM加载数字闪耀叉型光栅全息图时的衍射场建立数学模型，定量地分析衍射光场中 1衍射级OV的衍射角度和能量转换效率，并将进一步通过实验对理论分析进行验证。
技术路线：
4. 研究的条件和基础
本课题可以借助上海市特种光纤与光接入重点实验室相关条件展开。该实验室已具备该课题研究所需的设备和条件。其中设备包括：空气减震实验平台、SANTEC 1550nm可调谐激光光源、滨松（Hamamatsu）红外CCD、Holoeye空间光调制器、OFDM信号发生器、光电接收器、示波器等；器材包括：准直器、偏振片、半波片、保偏光纤、分束/合束器、光阑、5轴三维调节平台以及光机组件等。
