涡旋阵列光场与涡旋光镊技术

高垣梅 尚春雷 卢城臻 蔡阳健

( 山东师范大学物理与电子科学学院，250358，济南 )

随着光场调控技术的发展，新型光场及其调控技术越来越受到关注.涡旋光束(Vortex Beam)具有螺旋形波前和轨道角动量，并以螺旋的方式进行传播，其具有相位因子exp(ilφ)，其中φ为方位角，l为拓扑荷数，l可以取任意值，l的正负决定涡旋光束波前的螺旋方向，每个光子都携带lћ的轨道角动量(Orbital Angular Momentum)[1].轨道角动量在光束与粒子相互作用时表现出传递性，因而可以设法实现操控粒子，螺旋形波前构造使得涡旋光束呈暗中空，轴上光场强度为零，中心的相位具有不确定性被称为相位奇点.涡旋相位环绕中心相位奇点一周相位变化2l.图1 展示了不同拓扑荷数l的涡旋光束的波前结构、相位分布和光强分布，可见拓扑荷数l与这些特征密切相关.

图1 几种涡旋光束 (a)波前结构；(b)相位分布；(c)光强分布

柱坐标系中，涡旋光束的传播方程一般为

E(r,φ,z)=E0exp(-ikz)exp(ilφ).

(1)

涡旋光束具有螺旋波前结构、中心相位奇点并携带轨道角动量，在许多领域既是研究的热点，也是研究的工具.例如在光通讯领域[13-15]，相比传统光束增加了拓扑荷数l这一维度，轨道角动量可以编码信息，使其在光通信方面具有容量大、保密性强等优势.在光学微操纵领域[16,17]，可利用轨道角动量的传递性设法驱动粒子沿轨道旋转，改变涡旋光束拓扑荷数l的大小和正负，粒子所受驱动力的大小和方向也随之改变.此外，在超分辨成像[18,19]、量子信息存储[20，21]等领域涡旋光束……