利用復(fù)雜光柵結(jié)構(gòu)制備渦旋光

摘 要 渦旋光的研究與應(yīng)用是當(dāng)前光學(xué)領(lǐng)域的前沿和熱點(diǎn)。本文介紹了一種方便實(shí)用的渦旋光制備方法。我們首先利用渦旋光與高斯光的干涉，產(chǎn)生了叉形光柵結(jié)構(gòu)。然后采用噴墨打印技術(shù)，將此叉形光柵圖案打印在激光打印膠片上。最后通過平面光束照射叉形光柵，利用膠片上黑色區(qū)域的光吸收效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了光線通過光柵空隙處的衍射，從而成功制備了具有不同拓?fù)浜蓴?shù)的渦旋光。與傳統(tǒng)方法相比，我們提出的渦旋光制備方法不需要復(fù)雜的光學(xué)設(shè)備或昂貴的材料，大大降低了實(shí)驗(yàn)的技術(shù)門檻和經(jīng)濟(jì)成本，使渦旋光的制備更加普及和可行。此外，這種技術(shù)的簡(jiǎn)易性和低成本特性，使其在光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和基礎(chǔ)科學(xué)研究中具有廣泛的應(yīng)用前景，尤其適合于資源有限的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

關(guān)鍵詞 干涉與衍射;叉形光柵;渦旋光;激光打印膠片

渦旋光束（Vortex Beams）是一種攜帶軌道角動(dòng)量的新型光束，是近年來(lái)光學(xué)領(lǐng)域的前沿?zé)狳c(diǎn)，備受關(guān)注[1-3]。同時(shí)渦旋光在多個(gè)光學(xué)領(lǐng)域中展現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景：在光學(xué)成像領(lǐng)域，利用渦旋光的軌道角動(dòng)量，可以提高光學(xué)顯微鏡的分辨率，增強(qiáng)成像對(duì)比度;在光學(xué)通信中，渦旋光的多個(gè)軌道角動(dòng)量模式可以用于復(fù)用技術(shù)，提升光通信的容量和效率;光鑷技術(shù)利用了渦旋光的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，用于捕獲和操控微粒子，實(shí)現(xiàn)精確的微操縱;渦旋光在量子糾纏和量子信息傳輸中也有著重要的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)多維度的量子信息編碼;另外利用渦旋光的高能量密度和旋轉(zhuǎn)特性，可以進(jìn)行高精度的材料加工和表面處理。渦旋光束的產(chǎn)生為光學(xué)研究和應(yīng)用帶來(lái)了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)[4-6]。

將渦旋光束引入大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中，通過實(shí)驗(yàn)的方式讓學(xué)生直觀地感受這一新型光束，不僅有助于拓展學(xué)生的物理前沿視野，更能夠豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。因此，我們?cè)O(shè)計(jì)了渦旋光束的產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)，旨在為學(xué)生提供更加深入、綜合的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)室通常采用的光源為高斯光（GaussianBeams），其強(qiáng)度分布隨著空間距離的增加而逐漸減弱，可以用高斯函數(shù)描述。相比之下，渦旋光束具有環(huán)形光強(qiáng)分布和螺旋形波前結(jié)構(gòu)。渦旋光束中的光子運(yùn)動(dòng)可形象地描述為光子一邊傳播一邊沿著光束中心旋轉(zhuǎn)，這就使得光子獲得了一個(gè)新的物理量———軌道角動(dòng)量。我們將渦旋光與傳統(tǒng)高斯光在光束形態(tài)、常見應(yīng)用和光束參數(shù)三個(gè)方面進(jìn)行了對(duì)比：首先，傳統(tǒng)高斯光的光束形狀是正弦波，它朝著一個(gè)方向傳播，光束輪廓在三維空間呈現(xiàn)出高斯分布。而渦旋光則是在此基礎(chǔ)上增加了橫向的螺旋相位梯度，形成了一種螺旋狀的光束形態(tài)。由于在光束的中心為光的相位奇點(diǎn)，因此出現(xiàn)了一個(gè)暗斑，這也成為了渦旋光束的典型特征。其次，由于渦旋光擁有軌道角動(dòng)量這個(gè)新的物理維度，因此在光學(xué)成像、光學(xué)復(fù)用技術(shù)、光鑷技術(shù)、量子信息處理和光量子糾纏等方面展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。最后，在波前結(jié)構(gòu)等方面，渦旋光與高斯光表現(xiàn)出本質(zhì)性的區(qū)別。然而，在實(shí)驗(yàn)中，我們可以通過特殊的光學(xué)元件（如光學(xué)相位板、光學(xué)棱鏡或空間光調(diào)制器）在橫截面方向增加螺旋相位片，實(shí)現(xiàn)由高斯光向渦旋光的轉(zhuǎn)換。

光學(xué)相位板（Optical Phase Plate）[3，7]：通過在光路中引入特殊設(shè)計(jì)的相位板，可以實(shí)現(xiàn)渦旋光的產(chǎn)生。相位板在光波上引入相位畸變，從而形成旋渦狀的相位結(jié)構(gòu)，進(jìn)而生成渦旋光。不同類型的相位板可以產(chǎn)生不同的渦旋光模式。這種方法能夠簡(jiǎn)單快速地產(chǎn)生渦旋光，但其局限性在于相位板的設(shè)計(jì)和制造精度，限制了產(chǎn)生渦旋光的質(zhì)量和多樣性。

光學(xué)棱鏡（Optical Prism）：利用光學(xué)棱鏡對(duì)光實(shí)現(xiàn)角向相位延遲，可以產(chǎn)生渦旋光。當(dāng)光波通過特定角度的光學(xué)棱鏡時(shí)，由于慢光和折射效應(yīng)，光波的相位結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，從而形成渦旋光。這個(gè)方法的優(yōu)點(diǎn)在于能有效地控制光的傳播方向和相位，適用于更復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)。然而，它們可能引起光的色散和對(duì)齊問題，需要復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)和精確的對(duì)準(zhǔn)，使得實(shí)驗(yàn)設(shè)置更加復(fù)雜。

空間光調(diào)制器（Spatial Light Modulator，SLM）：SLM 是一種能夠根據(jù)電信號(hào)調(diào)整光波相位和振幅的裝置。通過在 SLM 上加載特定的相位編碼模式，可以實(shí)現(xiàn)渦旋光的產(chǎn)生。相位編碼模式?jīng)Q定了光波的相位結(jié)構(gòu)，從而形成渦旋光。這種方法提供最高的靈活性和控制精度，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的光束調(diào)制。然而，SLM 相對(duì)昂貴，并且需要復(fù)雜的電子控制系統(tǒng)。

在評(píng)估了現(xiàn)有渦旋光產(chǎn)生方法的優(yōu)缺點(diǎn)后，我們提出一種更簡(jiǎn)便且成本低的方法：利用噴墨打印技術(shù)制作叉形光柵。相較于傳統(tǒng)的光學(xué)相位板、光學(xué)棱鏡和空間光調(diào)制器，噴墨打印的叉形光柵具有以下優(yōu)勢(shì)：成本低，易于制作和復(fù)制，并且無(wú)須復(fù)雜的光學(xué)設(shè)備。通過將不同拓?fù)浜蓴?shù)的叉形光柵打印至透明的激光打印紙上，并利用其對(duì)入射光的衍射效應(yīng)來(lái)生成渦旋光。這一方法將理論與實(shí)踐緊密結(jié)合，降低了渦旋光產(chǎn)生的技術(shù)門檻，使其更加適用于教學(xué)和初級(jí)研究環(huán)境。

1 計(jì)算叉形光柵結(jié)構(gòu)[8，9]

渦旋光與高斯光發(fā)生干涉時(shí)所產(chǎn)生的干涉圖樣儲(chǔ)存了渦旋光的相關(guān)信息。我們將高斯光作用于該干涉圖樣進(jìn)行衍射，就可以從中解碼得到渦旋光。計(jì)算中我們使用拉蓋爾高斯光束表示渦旋光，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為[2]