光学涡旋
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光学涡旋(optical vortex)也称为光涡,是光学场中的零点,也就是光强度为零的点。自从约翰·奈和迈克尔·贝里在1974年提出全面性的论文后,就开始了许多光学涡旋性质的研究[1],论文描述“光波列位错”的基本性质,这个研究后来成为“奇点光学”(singular optics)的核心理论。
解释
[编辑]在光学涡旋中,光会像螺旋开瓶器一般,沿著其轴扭转。因为其扭转,在轴的位置光会彼此相消。若投影在一平坦表面上,光学涡旋看起来会像一个光环,在中间有一个没有光的黑色区域。这种螺旋形行进,中间黑暗的光,称为光学涡旋。
光学涡旋的拓扑荷定义为其在一个波长的扭转次数,拓扑荷恒为整数,依其扭转方向可能是正数或是负数。拓扑荷越大表示光沿著轴旋转的越快。此自旋会随著光波列而有角动量,若有电偶极矩则会产生力矩。
光的轨道角动量可以由捕获粒子的轨道运动来观察。光学涡旋和平面光的干涉会出现同心螺旋的螺旋相位。
在实验室中有许多方式可以产生光学涡旋。一般可以直接用雷射产生[2],或者用一些方式,将雷射光束变成涡旋,例如用电脑产生全息图,螺旋相位延迟的结构,或是材料中的双折射涡旋。
性质
[编辑]光学奇点是光场中的零点。在场中的相位会沿著零强度的点旋转(因此称为涡旋)。光学涡旋在二维场中为一个点,在三维场中为一条线(其余维数为2)。将场中的相位沿著包围涡流的路径场积分,会得到2π的整数倍。此整数称为光学涡旋的拓扑荷或是强度。
超几何高斯光束(HyGG)在其中心有一个光学涡旋,光束的形式为
为旁轴波动方程含有贝塞尔函数的解(参照近轴近似)。超几何高斯光束中的光子有轨道角动量mħ,其中的正整数m也就是光束中央涡旋的强度。圆偏振光的自旋角动量可以被转换成轨道角动量[3]。
创造光学涡旋
[编辑]![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/9/91/OpticalVortices.jpg/220px-OpticalVortices.jpg)
有许多的方式可以产生超几何高斯光束,静态螺旋相位板(Static spiral phase plate, SPP)、电脑产生的全息摄影、模式转换(Mode conversion)、q板、s板、空间光调制器及可变形反射镜等。
应用
[编辑]光学涡旋可用在许多应用中,例如以往只能直接侦测的太阳系外行星可以用旋风星冕仪观测。光镊可以用在处理像细胞大小的物体等,受激发射损耗显微镜中也有到光学涡旋的技术。
相关条目
[编辑]参考资料
[编辑]- ^ Nye, J. F.; M. V. Berry. Dislocations in wave trains (PDF). Proceedings of the Royal Society of London, Series A. 1974, 336 (1605): 165–190 [2006-11-28]. Bibcode:1974RSPSA.336..165N. doi:10.1098/rspa.1974.0012.
- ^ White, AG; Smith, CP; Heckenberg, NR; Rubinsztein-Dunlop, H; McDuff, R; Weiss, CO; Tamm, C. Interferometric measurements of phase singularities in the output of a visible laser. Journal of Modern Optics. 1991, 38 (12): 2531–2541. Bibcode:1991JMOp...38.2531W. doi:10.1080/09500349114552651.
- ^ Marrucci, L.; Manzo, C; Paparo, D. Optical spin-to-orbital angular momentum conversion in inhomogeneous anisotropic media. Physical Review Letters. 2006, 96 (16): 163905. Bibcode:2006PhRvL..96p3905M. PMID 16712234. arXiv:0712.0099
. doi:10.1103/PhysRevLett.96.163905.
外部链接
[编辑]- Video of propagation simulation of Vortex Diffractive Optical Element from near field to far field(页面存档备份,存于互联网档案馆) by HoloOr
- Optical vortices and optical tweezers at the University of Glasgow
- Singular Optics Master list(页面存档备份,存于互联网档案馆) by Grover Swartzlander Jr., University of Arizona, Tucson
- Optical vortex coronograph, Gregory Foo, et al., University of Arizona, Tucson
- Optical tweezers(页面存档备份,存于互联网档案馆), David Grier, NYU
- Selected Publications on Optical Vortices(页面存档备份,存于互联网档案馆) at Australian National University
- All Screwed Up: Scientific American article. [2016-04-11]. (原始内容存档于2007-10-15).
- 'Twisting' light packs more information into one photon: New Scientist article. [2016-04-11]. (原始内容存档于2015-04-30).
- Light Beams in High-Order Modes. [2016-04-11]. (原始内容存档于2017-04-17).
- Twisted Light Encryption. [2016-04-11]. (原始内容存档于2007-08-27).
- Twisted Physics: Scientists Create Knots of Light. Fox News. 2010-01-18 [2016-04-11]. (原始内容存档于2012-10-24).