空心光束的研究进展

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激 光 与 红 外; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ;
第 :9 卷
量， 对应于椭圆波导中的 !" 和 !# 模， #$% 也具有 传播不 变 性。虽 然 理 论 上 #$% 是 一 种 无 衍 射 光 束， 但实际产生的 #$% 仅在有限的传播距离内才 表现为传播不变的无衍射， 这是由光束的有限尺度 造成的。 &’()*+ , &*-.( 等人
［ /］
斯光束具有独特的传输特性， 其在近场有很好的传 输稳定性， 当传输距离增大时， 空心高斯光束的光斑 发散同时黑斑面积占总光斑面积的比率减小； 而在 远场， “ 黑 心” 区 域 消 失 了， 此时轴上的光强变为 最大。 近几年来， 运用几何光学法获得空心光束的新
［ 01 ］ 方法层出不穷， BC@ 等人 采用顶角分别 是 0D 和
［ !］ ［ #］
此也可用作光学扳手和光学镊子， 广泛用于微观粒 子的激光囚禁与操控、 激光准直、 冷原子的激光导 引、 原子漏斗以及激光冷却等。 !" :$ 双高斯分布的空心光束 （ 1&%’ ） 1&%’ 是一种具有双高斯径向强度分布的空心 激光束， 它也具有角动量。这种光束通常用几何光 学法即利用角锥棱镜获得。在宽度半径比符合一定 的条件下， 1&%’ 可因具有高强度梯度， 能产生较好 的强度梯度冷却 （ 即 ;<=>?8@= 冷却） ， 所以在中性原 子的激光冷却及其冷原子束的激光准直或囚禁方面 有着广泛的应用。 !" A$ 聚焦空心光束 （ 6%’ ） 6%’ 是由一束高斯光束或一束空心光束通过 一个特殊的位相板， 再经一面透镜聚焦后产生的。 无论是在焦点附近还是在光束的其他部分， 6%’ 都 是空心的。这种空心光束的特点是在其焦平面上具 有很小的暗斑尺寸， 所以特别适用于原子透镜和原 子光刻术。此外， 它们不仅可用于研究聚焦空心光 束中原子的绝热膨胀和压缩， 还可用其来实现全光 型玻色 ) 爱因斯坦凝聚 （ ’-B ） 。 !" C$ 局域空心光束 （ *%’ ） *%’ 是一类通常强度分布较为复杂的特殊空 心光束。这类空心光束也可以通过几何光学法、 计 算全息法、 径向分布的 ! 位 相 片 法 等 多 种 方 法 获 得。它具有三维封闭的暗中空区域和极高的强度梯 度， 由此可用于激光囚禁微米粒子和中性原子以及 光学冷却中性原子等方面。 ($ 空心光束的研究进展
导近似研究得出的， 虽然其在近场的分布是一个类 高斯分布， 不是空心光束； 但是它在远场的分布却是 万方数据 一个空心环状光束。 *3%’ 也具有轨道角动量， 因
研究 了 一 种 新 的 空 心 光 束— — —高 阶 马 提 厄 光 束 （ .%’ ） 。它是一类新的无衍射光束， 具有椭圆对称 性。类似于 ’&’ ， .%’ 也具有光学自旋与轨道角动
他们利用一个二维刻录仪将这些全息图首先制作在具有上述位相分布函数的灰度等级的照相底片上并复制到全息胶片上然后漂白全息胶片将灰度等级转变为光学厚度当用一束被圆形孔径截取的高斯光束照射这一位相全息图时高阶马提厄光束将产生在一阶衍射光中采用顶角分别是1
第 !" 卷# #
第 $ 期#
# # # # # # # # # # # # # # 激光与红外
采用计算全息法产
生了三种高阶马提厄空心光束， 图 0 是用于产生马 提厄空心光束的计算全息图。图中 ! 为椭圆参数； " 为马提厄光束中心包含的光学涡旋的拓扑荷； #$ 为椭圆参数 ! % &1 # $ 1 ’ 2 所携带的信息中的横向空间 频率。他们利用一个二维刻录仪， 将这些全息图首 先制作在具有上述位相分布函数的灰度等级的照相 底片上， 并复制到全息胶片上， 然后漂白全息胶片， 将灰度等级转变为光学厚度， 当用一束被圆形孔径 截取的高斯光束照射这一位相全息图时， 高阶马提 厄光束将产生在一阶衍射光中
" 3 1， ! 3 04 5 ， # - 3 2 6 07 8
2 ,0
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( ’ 1， (， ( E 1， 其中第一块和第三块柱透镜是用来在横 向方向上形成一个标准的成像系统， 而中间的柱透 镜则用来形成纵向 LK=-C*- 转换。结果产生的环状 空心光束不仅具有轨道角动量， 而且其相位呈如图 1 所示的螺旋形分布。他们还利用产生的空心光束 做了一个旋转微观粒子的实验， 图 : 所示的正是此实 验中粒子在空心光束作用下沿顺时针方向的旋转图。
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# # 文章编号： 8++89:+"; （ *++" ） +$9+!++9+$
空心光束的研究进展
黄慧琴， 赵承良， 陆璇辉
（ 浙江大学光学研究所， 浙江 杭州 !8++*" ）
朗克常数； ! 为弧向模式指标， 表示位 相 奇 点 的 阶 数； 其转动频率的改变根据是： （ # J "" ） ， 式 #" # # 中 # 是光源和观察者之间的角速度。
［ A］ 接着， &@G<9KK9L ) M9FD 等人 提出并通过实验
。它是 789 小组
［ 2］
从标量模型出发， 采用弱波
［ 2］
17D 的圆锥棱镜产生了一束具有双高斯径向强度分 布， 而且宽度半径比仅约为 0 E 00 的空心光束。 $*-F
［ 0: ］ 8(@ 等人 通过理论分析与研究， 提出了一种利用
球差透镜和投影透镜来产生并放大空心光束的新方 法。为了有效地将冷原子由磁光阱载入空心光束势
［ 02 ］ G(HI(@ 等人 提出了一种由一个望远系统、 阱中，
8# 引# 言 近年来， 随着各类空心光束的相继出现， 空心光 束的产生和应用已经引起了人们越来越多的关注。 空心光束是一种在传播方向上中心光强或轴向光强 为零的光束， 此类光束的特点是存在位相奇异点， 光 束中心强度为零的点具有位相不确定性。这种光束 除了具有激光频率、 激光功率和光束发散角等激光 束的一般参数外， 还具有暗斑尺寸、 光束宽度、 光束 半径和宽度半径比等一些特殊的参数。各类空心光 束都有其独特的物理性质， 如强度呈圆筒形分布、 很 小的暗斑尺寸、 无加热效应、 传播不变性以及具有自 旋与轨道角动量等， 这些性质使得空心光束在激光 万方数据 微粒波导、 光学、 光信息处理、 同位素分离、 微电子学
黄慧琴$ 赵承良$ 陆璇辉$ 空心光束的研究进展
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有着不同的光束特性及其特殊的应用场合。 !" #$ 空心高斯光束 （ %&’ ） %&’ 是一种较为简单的光束转化效率较低的 空心激光束， 可以通过几何光学法获得。 %&’ 除了 光束的中心部分， 其余部分的光束径向强度分布仍 然呈高斯分布。这种光束可以用于研究空心泵浦光 束中三次谐波的产生与增强 离
摘# 要： 各类空心光束都有其新颖独特的物理性质， 这使得其在实现微观粒子的光学囚禁与四 维操控以及冷原子的激光导引、 漏斗等方面有着非常广泛的应用。文章简要概述了常见的几 类空心光束的性质、 产生方法及其应用， 介绍了近几年来国内外的一些最新研究进展情况， 并 就空心光束的未来研究和应用进行了展望。 关键词： 激光； 空心光束； 激光操控 中图分类号： <$!=# # # 文献标识码： -
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1%’ 面包圈空心光束是一种发散的空心光束。 其实， 1%’ 可以说是一种特殊的 *&’， 它也具有类似 于高阶 *&’ 的自旋和轨道角动量。通常 1%’ 可由 横模选择法和计算全息法获得。这类光束作为光镊 和光学扳手也可以广泛用于激光囚禁与操控微观粒 子 （包括纳米粒子、 生物细胞和中性原子和分子等） 。 !" 2$ *34# 模输出空心光束 （ *3%’ ） *3%’ 是通过微米尺寸空心光纤 （ %56 ） 中 *34# 模的选 择 激 发 与 耦 合 输 出 的 一 种 发 散 的 空 心 光 束
和材料科学、 生物技术、 医学以及原子学、 分子学等 领域中有着广泛的应用前景。 *# 空心光束的性质、 产生与应用 国内外的研究学者们 自 *+ 世纪 =+ 年代以来， 采用各种方法获得了一系列新颖的空心光束并且得 到了很好的实验验证， 如几何光学法、 横模选择法、 模式变换法、 光学全息法、 计算机全息法、 空心光纤 法和位相片法等。 以下介绍的是几类常见的空心光束， 它们各自
［ +］
。 *&’ 不仅可以通过模式变
换法即由厄米 ) 高斯光束获得， 还可以通过计算全 息法由高斯光束得到。近几年来， 人们已经发现了 *&’ 的许多重要应用， 它们可用作光学镊子和光学 扳手， 这方面的广泛应用就表现在它们可以精确操 控微观粒子 （ 包括纳米粒子、 生物细胞和中性原子 等） 的运动。 !" ($ 高阶贝塞尔光束 （ ’&’ ） ’&’ 是 一 种 无 衍 射 的 空 心 激 光 束， 也称贝塞 尔 ) 高斯光束， 具有光学自旋与轨道角动量。 ’&’ 可用多种方法获得， 如几何光学法、 光学全息法、 计 这种光束适 算全息法等。由于 ’&’ 所具有的特性， 用于微米级甚至是纳米级粒子 （ 包括中性原子、 分 子和生物细胞） 的激光旋转与导引操作， 冷原子束 的激光准直、 原子光刻术、 激光制导和激光测距或测 速等。 !" +$ ,-. /0 面包圈空心光束 （ 1%’ ）
［ :］ *&’ 的轨道角动量已被 3DEF9GG 小组 近年来，
、 氙原子的多电子电
和暗光束磁光囚禁
［ (］
等。
!" !$ 拉盖尔 ) 高斯光束 （ *&’ ） *&’ 是一种发散的空心光束， 其具有轨道角动 量并可形成一个无限维的离散的希尔伯特空间。在 光束传播方向的近轴光线区域内， 它们可用于构建 任何一种空心光束
# # 基金项目： 国家自然科学基金 （ 8+!!+$:+ ） 资助项目。 # # 作者简介： 黄慧琴 （ 8=;* X ） ， 女， 硕士研究生， 现主要从事光束 变换方面的研究。/9UI7’： FA7B7CYY!Z 8Y!( N&U # # 收稿日期： *++Y9+=9*$
激 光 与 红 外$ N/" +$ !44A$ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $
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（ 2CKL7LALG &Mபைடு நூலகம்<5L7NK，DFGO7ICH ?C7PG6K7LQ，>ICHRF&A !8++*" ，EF7CI）
/0&1"-21： /INF &M F&’’&S TGIUK FIK 7LK &SC 5I6L7NA’I6 5FQK7NK NFI6INLG6，LF7K NIAKGK S7VG’Q I55’7GV 7C LFG L6I557CH 5I6L7N’GK ，M&A69V7UGCK7&C UIC75A’IL7CH，HA7V7CH N&’V IL&U7N，ICV IL&U7N MACCG’ ICV K& &C( 2C LF7K 5I5G6，LFG NFI6IN9 LG6，LFG HGCG6IL7&C ICV LFG I55’7NIL7&C &M K&UG MIU7’7I6 F&’’&S TGIUK I6G KAUUI67RGV T67GM’Q，LFGC 7LK 6GNGCL 56&H6GKK 7C K7VG ICV &AL S7’’ TG 7CL6&VANGV，M7CI’’Q K&UG T67GM &AL’&&W IT&AL LFG MALA6G KLAVQ ICV I55’7NIL7&CK &M LFG F&’’&S TGIUK S7’’ TG UIVG( 3%4 +#"5&： ’IKG6；F&’’&S TGIU；’IKG6 UIC75A’ILG
［ +］
测量， 该组还研究了 *&’ 角动量的内在和外在属性 及其 转 动 频 率 移 动 的 改 变。他 们 的 实 验 证 实 了 *&’ 中每个光子具有的总角动量 （ ,H. ） 为： ,H. I （ ! J ""） 其中 "" # 4 （ $ !） 对应的是左旋或右旋圆 !， 偏振光； "" 为 " 方向上的光的偏振度； !# % ， ! 为普 !!
两个圆锥棱镜和一个二元位相元件组成的系统产生 一束具有较大暗中空区域的局域空心光束的方法， 实验得到了可与磁光阱 （ 1 $ 3 088） 尺寸相匹配的内 径为 088、 轴向长度为 :88 的理想局域空心光束。
［ 05 ］ 近来， 利用厄米高斯光束通过一个由 : J(K 等人
。
个旋转柱透镜组成的光学系统后的光束转换来产生 螺旋环状空心光束。这三个柱透镜的焦距分别是