光學渦旋簡介

江蘇雷射聯盟導讀：光學渦旋是一種具有螺旋相位波前，帶有軌道角動量(OAM)，能夠攜帶不同拓撲電荷數的光束。攜帶不同拓撲電荷數的光學渦旋是相互正交的，因此，光學渦旋可以在光纖通信系統中進行模分復用，它能夠極大的提高光纖通信系統的容量。本文主要簡單介紹渦旋光束，以及渦旋光束的生成和檢測方法。

關鍵詞：光學渦旋；軌道角動量；光纖通信；模分復用

1.引言

隨著通信技術的發展以及移動網際網路、物聯網的興起，傳統的光纖通信系統容量已經不能滿足人們日益增長的需求。為了提高光纖通信的系統容量，空分復用技術越來越受到科研工作者們的關注。空分復用的實現技術主要有多心光纖和模分復用。模分復用是利用不同模式的正交性，每個模式可以作為一個數據信道，來進行數據傳輸。常見的模分復用使用的是光纖中的高階模和光學渦旋[4]中的OAM模。不同的OAM模是相互正交的，因此，它可以在光纖通信系統中進行模分復用，極大的提高光纖通信系統的容量。本文首先對光學渦旋進行簡單的介紹，然後重點介紹渦旋光束在空間光和光纖中的生成方法以及檢測方法，最後簡單介紹渦旋光束在通信中的應用。

2.渦旋光束簡介

圖1.渦旋光束示意圖

如圖1(a)所示，光纖渦旋是一種具有螺旋相位波前，帶有軌道角動量(OAM)，能夠攜帶不同拓撲電荷數的光束；它的模場呈環形分布，如圖1(b)所示；圖1(c)表示的是拓撲電荷為1時的相位分布圖，可以看出，在一個周期內，它的相位從0變化到2π，以此類推，當拓撲電荷數為n時，在(a)(b)(c)1一個周期內，它的相位從0變化到2nπ。此外，渦旋光束還具有一些其它特殊的特性，比如具有相位奇點、具有多種空間偏振態、具有無限種相互正交的本徵態等。由於它的這些特殊性質，光學渦旋在光學鑷子、高解析度成像、光學微操控、大規模復用通信、量子通信等領域有廣泛的應用。

3.光學渦旋生成

光學渦旋的生成主要有基於空間光的生成方法和基於全光纖結構的生成方法。基於空間光生成的渦旋光束相對來說轉化效率和模式純度較高，而基於全光纖結構生成的渦旋光束轉化效率和模式純度較低，但是，基於全光纖結構生成的渦旋光束便於與光纖相連，插入損耗也非常低，而且轉化效率和模式純度還可以通過改進光纖結構繼續提升，因此，基於全光纖結構的生成方法具有很好的應用前景。

3.1基於空間光的生成方法

圖2.基於空間光的生成方法

如圖2所示，基於空間光的生成方法主要有螺旋相位板法、空間光調製法、全息光柵法、柱透鏡法等。其中，螺旋相位板法使用的是一個沿著方位角逐漸變厚的透明薄板，當高斯光通過螺旋相位板時，由於厚度不均勻，光束會轉換成具有螺旋相位波前的渦旋光束。在實驗中，這種方法生成的OAM光束攜帶的拓撲電荷數最高可以達到5050。空間光調製器是一種可以對光波的幅度、相位、偏振態等物理信息中的一部分或者全部實現空間調製的光電器件。利用液晶的電光效應，可以實現空間光調製器對入射光波的振幅和相位調製，使得光波實現波前變換。通過利用空間光調製器加載叉形光柵全息圖則可以產生光學渦旋。全息光柵法是將幹涉條紋的信息記錄到感光光柵片（大部分是叉形光柵，又稱位錯光柵）中，再利用一束與參考光條件完全相同的光照射感光片，通過衍射，藉助計算機就可以再現各種信息（包括光的振幅和相位），從而合成渦旋光束。柱透鏡法是利用柱透鏡對光束的相位調製作用來生成渦旋光束。

3.2 基於全光纖結構的生成方法

由於光纖結構的多樣性，基於全光纖結構的生成渦旋光束的方法非常多，在這裡就簡單舉幾個例子。如圖3所示，這兩種都是基於光柵的渦旋光束的生成方法，其中圖3(a)表示的是微彎光柵法生成渦旋光束，當光束通過微彎光柵時，光纖中激發出一對HE21模，並產生π/2的相位差，從而生成渦旋光束。圖3(b)表示華中科技大學的一個課題組做的實驗，他們利用機械長周期光柵擠壓少模光纖，使少模光纖中的LP11a和LP11b模產生π/2的相位差，從而生成渦旋光束。

圖3.基於光柵的生成方法

圖4.基於特殊光纖結構的生成方法

圖4表示的是利用特殊設計的光纖結構來產生渦旋光束的方法。其中圖4(a)表示的是華南師範大學的一個課題組做的仿真，他們在單模和少模光纖中間做一個螺旋相位盤，螺旋相位盤的有效折射率沿方位角方向遞增，可以等效為一個螺旋相位板，從而在少模光纖中生成渦旋光束。圖4(b)表示的是南開大學的一個課題組做的仿真，他們做了一個多心結構和環形折射率分布的光纖，當基模從中間的纖芯通過時，在環形折射率區域耦合出渦旋光束。此外，南加州大學也做了多種類似的光纖結構能夠較好的耦合出渦旋光束，我們目前也正在把單模-少模耦合器和光纖雷射器結合起來做一個全光纖渦旋雷射器。

4.光學渦旋檢測

光學渦旋的檢測辦法有很多，各有利弊，常見的有以下幾種：

4.1 螺旋相位板和全息光柵法

圖5.螺旋相位板、全息光柵和幹涉法

如圖5(a)和(b)所示，和渦旋光束的生成相反，當攜帶拓撲電荷數為l的渦旋光束通過一個拓撲電荷數為-l的螺旋相位板或者全息光柵時，正好可以轉化成高斯光，然後通過透鏡聚焦後能透過一個小孔被檢測器檢測到，這種方法可以用來檢測攜帶特定拓撲電荷數的渦旋光束。

4.2 幹涉法

當平面波和球面波分別與渦旋光束進行幹涉時，會形成叉形或者渦旋形的幹涉條紋，我們可以根據幹涉圖案來檢測渦旋光束。圖5(c)所示的是拓撲電荷數為1、2、0.5、1.33的渦旋光束與平面波或球面波幹涉使時的圖案，我們可以通過叉的個數和方向或者渦旋的個數和方向來判斷拓撲電荷數的大小和正負。

4.3 圓弧縫隙法

圖6.圓弧縫隙法和像散聚焦法

如圖6(a)所示，做一個90°的空心圓弧，根據惠更斯-菲涅爾原理，當攜帶有不同拓撲電荷數的渦旋光束通過這個縫隙時會發生不一樣的衍射，導致在後面的平板上形成的焦點的位置發生偏移。焦點的偏移量與拓撲電荷數的關係如圖6(b)所示。因此，我們可以根據焦點的偏移量來得到拓撲電荷數的大小的正負。

4.4 像散聚焦法

當渦旋光束通過一個傾斜6°的雙凸透鏡時會形成幾個離散的光斑，光斑的個數為拓撲電荷數加1，光斑的傾斜角度與拓撲電荷數的正負相關。因此，我們可以通過觀察光斑的個數和傾斜角度來檢測渦旋光束。圖6(c)表示的是檢測拓撲電荷數為3的示意圖。

4.5 漸變周期光柵法

圖7.漸變周期光柵法

北京理工大學的一個課題組做了如圖7(a)和(b)所示的漸變周期的光柵，當渦旋光束通過這個光柵時會產生和通過雙凸透鏡時一樣的光斑，如圖7(c)所示，光斑的個數依然為拓撲電荷數加1，光斑的傾斜角度與拓撲電荷數的正負相關。因此，我們可以通過觀察透過光柵後光斑的個數和傾斜角度來檢測渦旋光束。

5.總結

展望本文首先對光學渦旋進行簡介，然後介紹了基於空間光和基於全光纖結構的生成方法，最後介紹了幾種常見的檢測方法。對於渦旋光的生成，目前大部分的研究都集中在拓撲電荷數為1的渦旋光，生成的模式純度也有待提高。高階數、高模式純度的渦旋光束的生成還有待進一步研究。對於渦旋光的檢測，目前實驗室中使用的最多的還是用幹涉法進行檢測，使用這種方法進行檢測不像其它檢測方法一樣需要使用特製的透鏡或者光柵，但是它也有很多局限，比如，幹涉法不能檢測非整數階的渦旋光束，也不能檢測脈衝形式的渦旋光束，因為兩個脈衝光束進行幹涉時，空間上可以重疊，但時間上不一定能重疊，所以不一定能形成幹涉條紋。當然，其它檢測方法也不能檢測非整數階的渦旋光束，新型的檢測方法還有待研究。

來自：光行天下