渦旋光場由于具有軌道角動量，在量子信息編碼、粒子的旋轉與控制、超分辨顯微成像等領域具有重要的應用價值，成為近年來光學領域的研究熱點。在渦旋光束中，拓撲荷值是一個重要的參數：在微粒操縱中光束軌道角動量與之成正比，而在量子信息編碼中則代表了波分復用及信息編碼能力。
不同于傳統渦旋光場，完美渦旋光束的中心亮環半徑不隨拓撲荷值的改變而改變，因此在光纖耦合、傳輸、及大微粒操縱等領域獨具優勢。自完美渦旋光場的概念產生以來，由于其具有廣泛的應用前景，迅速得到了大量研究組的關注。
近日，河南科技大學李新忠教授課題組在基于完美渦旋光場的研究中取得了兩項重要進展：
一
可自由調控的環形光學渦旋陣列
在渦旋光場的研究中，光學渦旋陣列是一個重要研究方向，其在多微粒操控、高容量量子通訊等領域具有優勢。目前，產生渦旋陣列的方法主要有三種：1、利用特殊微結構材料產生；2、利用達曼光柵的不同衍射級產生；3、利用多光束干涉產生。
這三種方法中，多光束干涉產生方法原理簡潔，得到了較為廣泛的研究。若采用渦旋光束作為疊加光束，該技術可簡化為雙光束干涉，并且能產生一種特殊的“摩天輪”式環形渦旋陣列，形成具有前沿應用價值的均勻環形光陷阱，如應用于原子捕獲、量子兼并氣體及莫特絕緣體轉變等方面。然而，該技術需要兩束特定拓撲荷值的渦旋光束干涉，一旦選定，其空間結構幾乎不能調控；此外，其干涉光路結構較為復雜、光路調整難度較大。
針對該問題，李新忠教授課題組基于完美渦旋光場調控技術，結合傅里葉變換相移技術；發展了一種單路光束干涉環形渦旋陣列產生技術；這種環形渦旋陣列空間模式豐富、調控自由度高、空間結構穩定、實驗裝置簡易，可為光鑷、原子光捕獲、量子寄存器等領域的研究提供一種新型結構光場。該研究成果以“Generation of Circular Optical Vortex Array” 為題發表在2017年第12期的Annalen der Physik 雜志上[529(12), 1700285(2017)]，并被選為封面論文。
該技術首先通過計算全息技術產生相位掩膜板；然后，基于光束獨立傳播原理，通過調整相位掩膜板中兩完美渦旋相位平移因子，在遠場實現了單光路雙光束疊加干涉；通過調控其疊加百分比最終獲得了可自由調控的環形光學渦旋陣列（圖2）。由于采用了獨特的單光路干涉技術，該方法實驗光路簡單、生成的陣列結構穩定。
研究發現，渦旋陣列中的渦旋數量及符號滿足公式：N=(l1-l2)，其中，l1, l2分別為疊加時外、內完美渦旋光束的拓撲荷值，|N|為渦旋陣列中的渦旋數量，N的符號即為產生的渦旋陣列中渦旋的符號（圖3）。通過對兩完美渦旋光束施加不同的初始相位差因子Ψ0，可以實現環形渦旋陣列的自由旋轉，其旋轉方向由Ψ0/(l1-l2)的符號確定；符號為正，逆時針旋轉；符號為負，則順時針旋轉。進一步研究發現，采用多光束完美渦旋疊加，該技術可實現多環嵌套渦旋陣列；每個環上的渦旋數量及符號可獨立自由調控，若施加不同初始相位差因子，可實現多環渦旋的同向/逆向自由旋轉調控（圖4）。
該工作進一步豐富了光學渦旋陣列的空間模式分布，這為微粒操縱、光鑷技術等領域的應用提供了一種調控自由度較高的環形空間結構光場。
論文鏈接：
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/andp.201700285/full
二
完美渦旋光束模式的自由變換
完美渦旋的優勢也恰恰是完美渦旋光場目前面臨困境的根源所在：其模式分布過于單一，無法滿足很多領域的應用需求。例如：在對生物微粒操縱時，光束熱效應會對生物細胞產生熱損傷；在操縱不規則微粒時，具有非對稱模式分布的渦旋光場更具優勢。此外，在光束整形、光束精確調控及微加工等領域均要求光束具有更為豐富的模式。
針對該問題，李新忠教授課題組基于傅里葉變換的坐標縮放特性，提出了完美渦旋光束的模式自由變換技術，實現了完美渦旋光束在圓形與橢圓形之間的自由變換；對半整數階橢圓完美渦旋光束，其缺口位置和缺口數量可自由調控。并且，在模式變換過程中，其“完美渦旋”特性能夠很好的保持。該成果以“ Controllable mode transformation in perfect optical vortices” 為題發表在2018年第2期的Optics Express雜志上[26(2),651(2018)]。
該技術基于傅里葉變換中的坐標縮放性質，把完美渦旋掩模板在一個坐標方向進行拉伸或壓縮，之后使用橢圓形光闌進行振幅調制，從而實現了完美渦旋光束模式由圓形轉變為橢圓形，其橢圓率e由拉伸參數m決定（見圖1）。在變換過程中，每一種模式的光束均保持了較高的模式純度（>0.9）。
通過將掩模板渦旋項替換為圖2中第2、4行所示的渦旋項，可實現分數階橢圓形完美渦旋光束的缺口位置與多缺口模式的自由調控變換。將變換后的分數階渦旋模式分解為整數渦旋模式的疊加，發現在單缺口及多缺口模式的變換過程中，其拓撲荷值始終保持不變。此外，隨著缺口數N的增加，多缺口模式的能量逐漸由l=1、2的整數階渦旋態向著兩邊的渦旋態流動。
該工作突破了完美渦旋光束單一模式的限制，實現了完美渦旋光束多種模式的自由調控及變換技術。這將進一步拓展完美渦旋光場在特殊微粒操縱、光束整形及激光微加工等領域的應用。此外，該技術有望為其他特殊激光光場的模式調控及變換提供一種新思路。
論文鏈接：
https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-26-2-651&origin=search
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