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光學(xué)旋渦是一種具有螺旋相位結(jié)構(gòu)和確定軌道角動(dòng)量的特殊光場(chǎng)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在很多領(lǐng)域，如光鑷、粒子操控、量子信息傳輸?shù)阮I(lǐng)域。螺旋相位板則是獲得渦旋光簡(jiǎn)單、直接的方法，通過(guò)該器件的光束可以很方便地轉(zhuǎn)換為具有不同空心暗環(huán)大小以及不同旋向的光束。渦旋光束的相位波前呈螺旋形分布，波矢量具有方位項(xiàng)，傳輸?shù)墓馐哂熊壍澜莿?dòng)量，繞著渦旋中心旋轉(zhuǎn)。在這個(gè)螺旋相位的中心，相位是不確定的，場(chǎng)振幅也消失了，因此渦旋光的中心形成了明顯可見(jiàn)的暗環(huán)，中心光強(qiáng)為零，且在傳播過(guò)程中也持續(xù)保持中心光強(qiáng)為零。
螺旋相位板（SPP）是一種光學(xué)厚度與旋轉(zhuǎn)方位角成正比的純相位型衍射光學(xué)元件，螺旋相位板呈螺旋狀分布，入射光通過(guò)SPP后出射的光具有螺旋相位波前，中心具有相位奇點(diǎn)，場(chǎng)強(qiáng)為零。理想的螺旋相位板的相位改變是連續(xù)的，高度隨著旋轉(zhuǎn)角度θ的增加而線性增加。但由于工藝技術(shù)限制，實(shí)際的SPP是階梯型的，其相位改變不再連續(xù)，厚度的線性增加是階梯狀的。如下圖所示，類(lèi)似于一個(gè)旋轉(zhuǎn)臺(tái)階，臺(tái)階高度為h，臺(tái)階高度為h0，入射光通過(guò)SPP產(chǎn)生的相位延遲為：
軌道角動(dòng)量（OAM）的特征值，又稱(chēng)拓?fù)浜蓴?shù)m，可取任意整數(shù)，表示光學(xué)旋渦繞軸一圈其相位變化為2π的整數(shù)倍。其表達(dá)式為：
式中：n—SPP的折射率，n0—周?chē)橘|(zhì)的折射率，λ—入射波波長(zhǎng)，h—臺(tái)階厚度，h0—SPP的基底厚度，SPP厚度h = h0+ h(θ/2π)。
當(dāng)一束平面波通過(guò)SPP之后，將會(huì)形成如下圖所示的渦旋光束，在固定的接收平面，可以觀察到明顯的中心暗環(huán)，暗環(huán)半徑與SPP的拓?fù)浜蓴?shù)m相關(guān)，如下圖示例。
利用SPP獲得的渦旋光束，傳輸距離不同的時(shí)候中心暗環(huán)會(huì)隨之增大，同時(shí)，通過(guò)在光路中采用不同拓?fù)浜蓴?shù)的SPP也可以獲得不同尺寸的暗環(huán)大小，另外，將不同拓?fù)浜蓴?shù)的SPP疊加也可以實(shí)現(xiàn)這一目的。正是利用這一特點(diǎn)，當(dāng)我們可以隨時(shí)掌控具有軌道角動(dòng)量的渦旋光束的暗環(huán)直徑時(shí)，其在光鑷系統(tǒng)中對(duì)各種外徑微粒進(jìn)行精密操控具有重大意義。
此外，在無(wú)線光通信中，攜帶軌道角動(dòng)量(Orbital Angular Momentum, OAM)的渦旋光束以一種新的復(fù)用方式出現(xiàn)，與時(shí)分復(fù)用、碼分復(fù)用、頻分復(fù)用等復(fù)用方式類(lèi)似，為解決復(fù)用通信中速率和信道容量問(wèn)題提供一種手段。如下圖所示，這也是渦旋光束的一個(gè)非常有意義的應(yīng)用方向。
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