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[!--downpath--]當(dāng)普通的格拉瑪草變成奇異的漩渦草時，我們不禁驚嘆大自然的神奇。 當(dāng)普通的高斯光變成奇怪的渦旋光時，我們可以雕刻出各種光學(xué)晶格掠面速度和角動量的關(guān)系，用更好的光學(xué)鑷子或扳手操縱微觀世界，推動科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的革命性發(fā)展。 走進科幻小說，奇異博士甚至可以通過繪制漩渦來穿越時空。
格拉瑪草，照片來自馬特
↓ 制作漩渦探索光學(xué)角動量↓
光波與其他波一樣具有機械特性。 開普勒認為彗星的尾巴指向遠離太陽的方向，因為光具有線性動量。 坡印廷于1905年提出了電磁輻射壓力和動量密度理論，愛因斯坦于1921年通過光子線性動量（?k）的假設(shè)解釋了普朗克黑體輻射定律。 在現(xiàn)代，光的線性動量已被用來捕獲和冷卻原子和分子。
光也有兩種角動量：自旋和軌道。 坡印廷于1909年認識到圓偏振光具有自旋角動量（SAM），每個圓偏振光子的自旋角動量為±?，光軌道角動量的時代真正開始了，正如這篇論文中提到的那樣。
旋轉(zhuǎn) vs
如果光束具有 exp(-ilφ) 相位相關(guān)性，則它帶有軌道角動量 (OAM)。 其中 φ 為方位角，l 可以取任意整數(shù)值，每個光子的軌道角動量為 l?。 這種光束具有l(wèi)個纏繞的螺旋波前，其坡印廷矢量（下圖中綠色箭頭所示）不平行于光軸，并繞光軸以螺旋軌跡運動，其方位分量產(chǎn)生平行軌道光軸的角動量。 具有螺旋相位的光束包含光學(xué)渦旋，光束輪廓是中心的零強度光暈，就像甜甜圈一樣。 渦旋光波與平面光波的干涉將產(chǎn)生具有l(wèi)個螺旋的強度圖案。
第 1 列：螺旋相； 第 2 列：渦旋光束輪廓； 第三欄：平面波干涉剖面
由于拉蓋爾高斯（LG）光束恰好具有這樣的螺旋相位因子，因此它們是描述軌道角動量最常用的渦旋光束。 雖然激光器可以直接產(chǎn)生 LG 模式，但更簡單的方法是通過厄米高斯 (HG) 模式轉(zhuǎn)換。
光子學(xué)練習(xí)：證明拉蓋爾高斯光束 LG01 模式等于兩個振幅相同但相位差為 π/2 的厄米高斯光束模式 HG01 和 HG10 的疊加：
LG_{01}=frac{1}{sqrt2}big( HG_{01}+iHG_{10}big)
HG01和HG10橫梁組合成LG01橫梁； 上面的線是強度分布，下面的線是相位分布。
將45度HG模式分解為一組HG模式，同一組模式改變相位合成LG模式。
自旋角動量僅取決于光束偏振而不取決于相位，因此HG和LG光束都可以攜帶自旋角動量。 線偏振光束通過四分之一波片成為圓偏振光束后，具有自旋角動量。 1992 年的 OAM 文章使用一對柱面透鏡將沒有角動量的 HG 光束轉(zhuǎn)換為具有軌道角動量的 LG 光束。 由于同一對柱面透鏡適用于任何 HG 模式，因此它們可用于轉(zhuǎn)換為許多不同的 LG 模式。 增加透鏡間距還可以反轉(zhuǎn)LG模式的旋轉(zhuǎn)方向，就像使用半波片反轉(zhuǎn)圓偏振一樣。 旋轉(zhuǎn)方向，但實際上使用道威棱鏡等光學(xué)元件更方便。
在上游方向，四分之一波片用于將45度線偏振光轉(zhuǎn)換為圓偏振光，半波片用于反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)方向。 使用一對向下的柱面透鏡將HG模式變?yōu)長G模式，增加透鏡間距或使用道威棱鏡反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)方向。
雖然這種轉(zhuǎn)換方法非常高效，但每種 LG 模式都需要特定的初始 HG 模式，因此其應(yīng)用受到一定限制。 更通用的方法是使用計算機生成的全息圖，它可以將相同的初始光束轉(zhuǎn)換為具有任意軌道角動量的光束。 如果只是為了演示目的，一個很簡單的方法就是將全息圖案印刷在透明塑料薄膜上掠面速度和角動量的關(guān)系，用激光筆照射全息圖案，在遠處形成渦旋光束。
平面波通過分叉的全息圖案衍射成兩個渦旋波
當(dāng)然，液晶空間光調(diào)制器（SLM）是用于全息投影的多功能衍射裝置。 它們可以將簡單的激光束轉(zhuǎn)換成具有幾乎任何相位和幅度結(jié)構(gòu)的特殊光束。 購買SLM時請謹慎！
-HD2渦旋光演示裝置
使用液晶渦旋波片和螺旋相位片也是引入方位相位相關(guān)的兩種簡單方法。 螺旋相位板的厚度與方位角成正比。 考慮到這一點，如果只是為了演示目的，可以采用一個簡單的方法，將一塊有機玻璃切割到中點，然后在切割的兩側(cè)之間創(chuàng)建一個角度，使材料的光學(xué)厚度隨著方位角。 可以引入螺旋相。 以這種方式產(chǎn)生的渦旋束也可用于粒子捕獲演示實驗。
螺旋相位板產(chǎn)生的渦旋光束
簡單的楔形相位板； 產(chǎn)生渦旋光； 光束干涉圖樣
近日，格拉斯哥大學(xué)教授發(fā)表了一篇關(guān)于光軌道角動量的綜述文章，簡要總結(jié)了該領(lǐng)域近30年來的發(fā)展。 。
第一個十年致力于探索粒子的基本特性以及光學(xué)捕獲和操縱。 除了最初的柱面透鏡像散模式轉(zhuǎn)換之外，研究人員很快開發(fā)出了其他產(chǎn)生和檢測OAM的方法。 第二個十年致力于探索量子特性，實驗研究OAM光子對的糾纏，角動量與角度之間的不確定關(guān)系也在這個階段被提出并證明。 第三個十年見證了 OAM 領(lǐng)域及其更前沿應(yīng)用的進一步發(fā)展，例如經(jīng)典和量子通信復(fù)用以及單光子成像和計量。
ΔφΔl≥1/2
使命宣言
探索、實現(xiàn)、推動光電核心技術(shù)發(fā)展——用科技改變世界。
在柱面透鏡下扭轉(zhuǎn)它：D
