掌握這些產生渦旋光束的方法，一起來發渦旋光
作者：柯熙政
自然中有很多渦旋現象
比如
小範圍空氣渦旋
海洋渦旋
今天，我們也來介紹一下
科學中的渦旋光
無線光通信是一種以激光為載體進行數據、語音及圖像等信息傳遞的技術。互聯網產業的迅速發展對通信行業提出了更高的要求，高速率是未來通信行業發展的必然趨勢。隨著海量數據傳輸、雲計算、人工智慧等新興領域的出現，傳統的通信方式所提供的信道容量具有了很大的局限性。為了提高通信系統的信道容量，攜帶軌道角動量(Orbital Angular Momentum, OAM)的渦旋光束以一種新的復用方式出現，與時分復用、碼分復用、頻分復用等復用方式類似，為解決復用通信中速率和信道容量問題提供一種手段。
軌道角動量復用通信系統模型
常見產生渦旋光束的方法
為了實現軌道角動量復用通信，面臨的首要問題是產生攜帶軌道角動量的渦旋光束。最常見的產生渦旋光束的方法如下圖所示。
1 直接產生法
通過激光諧振腔直接產生渦旋光束。在實驗中該方法對諧振腔的軸對稱性具有嚴格的要求，較難得到穩定的光束輸出。
2 模式轉換法
由柱面鏡構成非軸對稱光學系統，輸入不含軌道角動量的厄米-高斯(hermite-guassian, HG)光束，通過兩個柱面透鏡構成的模式轉換器，就可以將其轉化為拉蓋爾-高斯(laguerre-gaussian, LG)光束。此方法最早是Allen等人在1993年提出的，同理將LG光束轉換成HG光束也是成立的。只需要在厄米高斯光束基礎上引入一個隨方位角變化的相位因子
，就可以將HG光束變成具有軌道角動量的渦旋光束。
3螺旋相位板法
螺旋相位板是一種厚度與相對於板中心的旋轉方位角成正比的透明板，表面結構類似於一個旋轉的台。當光束通過螺旋相位板時，由於相位板的螺旋形表面使透射光束光程的改變不同，使透射光束相位的改變數也不同，繼而能夠產生一個具有螺旋特徵的相位因子。
4計算全息法
計算全息法是依據光的干涉和衍射原理，利用計算機編程實現目標光與參考光的干涉圖樣，得到渦旋光束。利用計算全息法產生渦旋光束是一種快速靈活、應用範圍廣泛的方法。其主要可以利用計算全息圖和空間光調製器來實現。計算全息圖就是將叉形光柵製成底片，直接讓高斯平面波通過此叉形光柵即可。將叉形光柵載入到空間光調製器(spatial light modulator, SLM)上，讓高斯平面波直接入射到SLM上即可。
5光纖產生法
為了適應OAM光通信系統的發展和應用要求，學者們提出了利用光纖產生渦旋光束的方法，主要包括三種方法：(a)光纖耦合器轉換法；(b)光子晶體光纖轉換法；(c)光波導器件轉化法。
渦旋光束產生方法的對比
渦旋光束特有的相位結構及獨特的OAM特徵，使其在量子信息的傳輸、微粒操縱、分子光學等方面都具有良好的應用價值。但這些應用都必須依賴於高質量渦旋光束的產生，以上產生方法各有優缺點。所以，在現有條件和技術的基礎上，尋求產生更高質量渦旋光束的有效方法也成了該領域亟待解決的問題。
表 產生渦旋光束方法的比較
渦旋光束製備
以下渦旋光束製備，以西安理工大學無線光通信與網路研究中心團隊研究成果為例介紹。
1單個渦旋光束的製備
攜帶OAM的渦旋光束相位結構是螺旋分布，光束中心光強為零處為相位奇點，其中，最為典型的是拉蓋爾-高斯光束。西安理工大學無線光通信與網路研究中心團隊主要利用兩種途徑產生渦旋光束：計算全息法(空間調製器法)和光纖產生法。
相比於空間調製器法產生渦旋光束，因為渦旋光束本身就是光纖的一個本徵解，所以利用光纖產生渦旋光束的純度會更高。
空間光調製器法和光纖法產生渦旋光束
2渦旋光束疊加態的製備
作者課題組對拉蓋爾-高斯光束軌道角動量疊加態的研究，利用相同位錯的叉形光柵疊加和螺旋相點陣圖疊加都可以製備雙OAM渦旋光束的疊加態。利用相同位錯的叉形光柵疊加製備雙OAM渦旋光的疊加態。利用空間光調製器載入不同軌道角動量疊加干涉圖樣等等。
利用叉形光柵疊加實現雙OAM渦旋光束時零級衍射存在，並且渦旋光束疊加態會出現在正負一級衍射位置上，零級衍射佔了大部分能量；而對於螺旋相點陣圖疊加實現雙OAM渦旋光束時，渦旋光束疊加態出現在零級衍射上，能量比較集中。
3陣列渦旋光束的製備
由He-Ne激光器（632.8 nm）發出的激光，經過透鏡組成的擴束系統，準直入射到反射式空間調製器（RL-SLM-R2），通過改變載入在SLM上的能產生不同渦旋光束陣列的疊加光柵，得到拓撲荷數相同整數階、不同整數階、相同分數階、不同分數階疊加的渦旋光束陣列，經過濾波片濾除雜光，由CCD採集顯示在白屏上不同階數及其疊加的光強分布。
經不同分數階疊加光柵調製光柵得到的光束載體陣列，在傳遞信息時，對其信息相位的分解的效率最高，且等間隔分解，有利於接收端恢複信息，在實驗相同設備和路徑下，較整數階及其他光斑陣列光強較強，有利於遠距離傳輸。
4 高階徑向拉蓋爾-高斯光束疊加
徑向指數大於零的高階徑向LG光束同樣可以被應用於OAM復用通信系統，繼而成倍提高信道容量、通信速率和頻帶利用率。在接收孔徑的限制下，高階徑向LG光束比零階徑向LG光束具有更高的接收功率。因此，高階徑向LG光束在軌道角動量復用領域具有潛在的應用價值。
5 多個拓撲荷數呈等差數列的渦旋光束疊加
隨著對具有螺旋波前結構的渦旋光束研究逐漸深入,可提供多樣化信息和相位結構的複合渦旋光束逐漸成為該領域關注的熱點。作者課題組推導了呈等差數列(公差為?)的n束渦旋光束疊加的理論公式，分析了共軸疊加時產生複合渦旋光束相位奇點的分布特徵，求解了角向解的個數和位置。通過改變渦旋光束的拓撲荷數可發現其光強分布的變化規律：外側亮斑數目等於?，暗斑數目等於?*(n-1)，根據亮暗斑數目和位置特徵也可用於檢測拓撲荷數。將複合渦旋光束用於信息傳輸時，可同時傳輸多種不同的信息，拓展了信息的容量，此研究為多種渦旋光束疊加提供有利依據，也為渦旋光束檢測提供一種新的方法。
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