Matlab涡旋光束在湍流大气中的传输特性模拟研究(6)
现在有很多方法能够产生涡旋光束，例如可用全息光栅[33-34]，有低阶高斯模型来得到涡旋光束；又可以用一个含有球形透镜和柱透镜的模式转换器，还可由高阶厄米-高斯模型来实现得到涡旋光束[35-36]，有能有选择性的具有相位转换装置[37]的激光谐振腔中产生涡旋光束等。
涡旋光束已被广泛应用, 它不仅可用于增大激光腔的模体积[37-38],光的光导, 频率移动, 角动量的改变, 而且还可以作为在自聚焦介质中的暗孤子。涡旋光束所拥有的轨道角动量更可用于自由空间光通信的信息解码。不过, 最为突出的还是其在光学微操控领域中的应用, 如对微粒和原子的光陷, 捕获和引导粒子,旋转吸收的粒子[39]等。
在现代技术中，光操控被认为是一项非凡的技术, 运用梯度力和散射力的原理, 运用这项技术，便可以实现控制微粒的运动。涡旋光场在光学微控领域的应用已经导致了人们对光场中光学角动量的大量研究, 尤其是拉盖尔- 高斯光场和高阶贝塞尔光场。由于梯度力, 微粒可被陷于此种涡旋光中, 而通过散射或吸收, 微粒又可因角动量转换, 沿着光场的环状光强分布旋转。例如在单环拉盖尔-高斯光束的环状光强分布场中, 我们可以人为控制地装入一定数量的胶质微粒。
3.2 光学涡旋
光学涡旋是随着人们对光认识的深入，特别是在激光产生之后才逐渐有了较为清晰的认识。自19世纪Airy[40]发现在透镜的聚焦面上会形成一种奇异的环以后，人们才开始对这种现象进行研究。1973年, William H. Carter[41]根据计算机模拟结果揭示: 可以通过极轻微的扰动光束从而使奇异环产生或消失。之后, G. P. Karman等[42-46]研究结果显示: 奇异环或环的波前错位是随非近轴激光束的传递而产生。此外, 光束参数的变化会导致位错反应—波前奇异性连续不断的产生和消失。后来, A. V. Volyar 等[47]提出: 环的主要特征与边缘位错属于一种横向光学涡旋的空间运动, 这种光学涡旋的基本单元是有相位奇异性的, 这也是第一次用光学涡旋来解释这种现象。M. S. Soskin 等[48]发现在除去很大比例的奇异性光束之后,光束在传递过程中还会恢复部分涡旋的特征。实际上, 对于任意一种光学现象, 无论是经典的，还是量子的, 光波涡旋都是固有的。随着研究的深入, 到20 世纪末大量关于光学涡旋的专题论文和评论性文章发表。
当光学涡旋产生时，平面波有着类似于晶体的“ 螺旋式缺陷”, 波前会沿着传播方向上的一条线以螺旋的方式旋转传播。离此线较远的波是平面波; 在该线上光的相位是不确定的, 即场的实部和虚部都为零, 该处光强亦为零。用复数表示二文静态光场分布, 光场为：
(3.2.1)
其中 为光场的实部， 是光场的虚部， 为振幅， 是相位。当光场的实部和虚部同时为0时，光场的相位会变成一个奇异值。这个相位奇异在二文图上可以是一个点，也可以形成一条线( 直线或曲线)。涡旋在二文图中则是一个点。
光学涡旋的涡旋点是位相等高线相交的地方。围绕涡旋点, 相位的旋转有顺时针和逆时针这两种方式，而且分别对应两种拓扑荷。
涡旋的运动速度取决于参量变化的快慢, 这些参量包括相对相位和振幅。举例来说, 当光出现一个超短脉冲时对应的振幅的变化速率会变大很多, 所以此时的光学涡旋的运动速度便会超过原先的速度。这个发现并没有违背相对论原理, 因为涡旋的速度是光的相速度。
可见, 光学涡旋在波前相位分布中是一个孤立的奇点。光束中包含有涡旋的特征是现代光学的一个重要现象。为了获得此类包含有光学涡旋的光束, 人们根据研究其独一无二的特征, 想出了各种各样的方法。特别是通过特殊设计的人造全息图, 高阶激光模式分离器[49], 螺旋相位板[50], 双柱透镜相位转换器及非线性光学现[51-52]来获得光学涡旋。而且它还可以由粗糙表面的光的散射, 甚至是由规则的波干涉得到[53]。