免费下载！
[!--downpath--]当普通的格拉玛草变成奇异的漩涡草时，我们不禁惊叹大自然的神奇。 当普通的高斯光变成奇怪的涡旋光时，我们可以雕刻出各种光学晶格掠面速度和角动量的关系，用更好的光学镊子或扳手操纵微观世界，推动科学技术领域的革命性发展。 走进科幻小说，奇异博士甚至可以通过绘制漩涡来穿越时空。
格拉玛草，照片来自马特
↓ 制作漩涡探索光学角动量↓
光波与其他波一样具有机械特性。 开普勒认为彗星的尾巴指向远离太阳的方向，因为光具有线性动量。 坡印廷于1905年提出了电磁辐射压力和动量密度理论，爱因斯坦于1921年通过光子线性动量（ℏk）的假设解释了普朗克黑体辐射定律。 在现代，光的线性动量已被用来捕获和冷却原子和分子。
光也有两种角动量：自旋和轨道。 坡印廷于1909年认识到圆偏振光具有自旋角动量（SAM），每个圆偏振光子的自旋角动量为±ℏ，光轨道角动量的时代真正开始了，正如这篇论文中提到的那样。
旋转 vs
如果光束具有 exp(-ilφ) 相位相关性，则它带有轨道角动量 (OAM)。 其中 φ 为方位角，l 可以取任意整数值，每个光子的轨道角动量为 lℏ。 这种光束具有l个缠绕的螺旋波前，其坡印廷矢量（下图中绿色箭头所示）不平行于光轴，并绕光轴以螺旋轨迹运动，其方位分量产生平行轨道光轴的角动量。 具有螺旋相位的光束包含光学涡旋，光束轮廓是中心的零强度光晕，就像甜甜圈一样。 涡旋光波与平面光波的干涉将产生具有l个螺旋的强度图案。
第 1 列：螺旋相； 第 2 列：涡旋光束轮廓； 第三栏：平面波干涉剖面
由于拉盖尔高斯（LG）光束恰好具有这样的螺旋相位因子，因此它们是描述轨道角动量最常用的涡旋光束。 虽然激光器可以直接产生 LG 模式，但更简单的方法是通过厄米高斯 (HG) 模式转换。
光子学练习：证明拉盖尔高斯光束 LG01 模式等于两个振幅相同但相位差为 π/2 的厄米高斯光束模式 HG01 和 HG10 的叠加：
LG_{01}=frac{1}{sqrt2}big( HG_{01}+iHG_{10}big)
HG01和HG10横梁组合成LG01横梁； 上面的线是强度分布，下面的线是相位分布。
将45度HG模式分解为一组HG模式，同一组模式改变相位合成LG模式。
自旋角动量仅取决于光束偏振而不取决于相位，因此HG和LG光束都可以携带自旋角动量。 线偏振光束通过四分之一波片成为圆偏振光束后，具有自旋角动量。 1992 年的 OAM 文章使用一对柱面透镜将没有角动量的 HG 光束转换为具有轨道角动量的 LG 光束。 由于同一对柱面透镜适用于任何 HG 模式，因此它们可用于转换为许多不同的 LG 模式。 增加透镜间距还可以反转LG模式的旋转方向，就像使用半波片反转圆偏振一样。 旋转方向，但实际上使用道威棱镜等光学元件更方便。
在上游方向，四分之一波片用于将45度线偏振光转换为圆偏振光，半波片用于反转旋转方向。 使用一对向下的柱面透镜将HG模式变为LG模式，增加透镜间距或使用道威棱镜反转旋转方向。
虽然这种转换方法非常高效，但每种 LG 模式都需要特定的初始 HG 模式，因此其应用受到一定限制。 更通用的方法是使用计算机生成的全息图，它可以将相同的初始光束转换为具有任意轨道角动量的光束。 如果只是为了演示目的，一个很简单的方法就是将全息图案印刷在透明塑料薄膜上掠面速度和角动量的关系，用激光笔照射全息图案，在远处形成涡旋光束。
平面波通过分叉的全息图案衍射成两个涡旋波
当然，液晶空间光调制器（SLM）是用于全息投影的多功能衍射装置。 它们可以将简单的激光束转换成具有几乎任何相位和幅度结构的特殊光束。 购买SLM时请谨慎！
-HD2涡旋光演示装置
使用液晶涡旋波片和螺旋相位片也是引入方位相位相关的两种简单方法。 螺旋相位板的厚度与方位角成正比。 考虑到这一点，如果只是为了演示目的，可以采用一个简单的方法，将一块有机玻璃切割到中点，然后在切割的两侧之间创建一个角度，使材料的光学厚度随着方位角。 可以引入螺旋相。 以这种方式产生的涡旋束也可用于粒子捕获演示实验。
螺旋相位板产生的涡旋光束
简单的楔形相位板； 产生涡旋光； 光束干涉图样
近日，格拉斯哥大学教授发表了一篇关于光轨道角动量的综述文章，简要总结了该领域近30年来的发展。 。
第一个十年致力于探索粒子的基本特性以及光学捕获和操纵。 除了最初的柱面透镜像散模式转换之外，研究人员很快开发出了其他产生和检测OAM的方法。 第二个十年致力于探索量子特性，实验研究OAM光子对的纠缠，角动量与角度之间的不确定关系也在这个阶段被提出并证明。 第三个十年见证了 OAM 领域及其更前沿应用的进一步发展，例如经典和量子通信复用以及单光子成像和计量。
ΔφΔl≥1/2
使命宣言
探索、实现、推动光电核心技术发展——用科技改变世界。
在柱面透镜下扭转它：D
