光學渦旋

光學渦旋（optical vortex）也稱為光渦，是光學場中的零點，也就是光強度為零的點。自從約翰·奈（英语：John Nye (scientist)）和迈克尔·贝里在1974年提出全面性的論文後，就開始了許多光學渦旋性質的研究^[1]，論文描述「光波列位錯」的基本性質，這個研究後來成為「奇點光學」（singular optics）的核心理論。

解釋编辑

在光學渦旋中，光會像螺旋開瓶器一般，沿著其軸扭轉。因為其扭轉，在軸的位置光會彼此相消。若投影在一平坦表面上，光學渦旋看起來會像一個光環，在中間有一個沒有光的黑色區域。這種螺旋形行進，中間黑暗的光，稱為光學渦旋。

光學渦旋的拓扑荷（英语：topological charge）定義為其在一個波長的扭轉次數，拓扑荷恆為整數，依其扭轉方向可能是正數或是負數。拓扑荷越大表示光沿著軸旋轉的越快。此自旋會隨著光波列而有角動量，若有電偶極矩則會產生力矩。

光的軌道角動量可以由捕獲粒子的軌道運動來觀察。光學渦旋和平面光的干涉會出現同心螺旋的螺旋相位。

在實驗室中有許多方式可以產生光學渦旋。一般可以直接用雷射產生^[2]，或者用一些方式，將雷射光束變成渦旋，例如用電腦產生全息圖，螺旋相位延遲的結構，或是材料中的雙折射渦旋。

性質编辑

光學奇點是光場中的零點。在場中的相位會沿著零強度的點旋轉（因此稱為渦旋）。光學渦旋在二維場中為一個點，在三維場中為一條線（其余維數為2）。將場中的相位沿著包圍渦流的路徑場積分，會得到2 $π$ 的整數倍。此整數稱為光學渦旋的拓扑荷或是強度。

超几何高斯光束（HyGG）在其中心有一個光學渦旋，光束的形式為

\psi \propto e^{im\phi }e^{-r^{2}},\!

為旁軸波動方程含有贝塞尔函数的解（參照近軸近似）。超几何高斯光束中的光子有軌道角動量mħ，其中的正整數m也就是光束中央渦旋的強度。圓偏振光的自旋角動量可以被轉換成軌道角動量^[3]。

創造光學渦旋编辑

有許多的方式可以產生超几何高斯光束，靜態螺旋相位板（Static spiral phase plate, SPP）、電腦產生的全息摄影、模式轉換（Mode conversion）、q板（英语：q-plate）、s板、空間光調製器（英语：spatial light modulator）及可變形反射鏡（英语：Deformable mirror）等。

應用编辑

光學渦旋可用在許多應用中，例如以往只能直接偵測的太陽系外行星可以用旋風星冕儀觀測。光鑷可以用在處理像細胞大小的物體等，受激發射損耗顯微鏡（英语：STED microscopy）中也有到光學渦旋的技術。

參考資料编辑

^ 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.

外部連結编辑

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）.

[1] 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.

[jmo1991-2] 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.

[3] 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.

[1]

[2]

[3]

Baike