涡旋光场由于具有轨道角动量，在量子信息编码、粒子的旋转与控制、超分辨显微成像等领域具有重要的应用价值，成为近年来光学领域的研究热点。在涡旋光束中，拓扑荷值是一个重要的参数：在微粒操纵中光束轨道角动量与之成正比，而在量子信息编码中则代表了波分复用及信息编码能力。
不同于传统涡旋光场，完美涡旋光束的中心亮环半径不随拓扑荷值的改变而改变，因此在光纤耦合、传输、及大微粒操纵等领域独具优势。自完美涡旋光场的概念产生以来，由于其具有广泛的应用前景，迅速得到了大量研究组的关注。
近日，河南科技大学李新忠教授课题组在基于完美涡旋光场的研究中取得了两项重要进展：
一
可自由调控的环形光学涡旋阵列
在涡旋光场的研究中，光学涡旋阵列是一个重要研究方向，其在多微粒操控、高容量量子通讯等领域具有优势。目前，产生涡旋阵列的方法主要有三种：1、利用特殊微结构材料产生；2、利用达曼光栅的不同衍射级产生；3、利用多光束干涉产生。
这三种方法中，多光束干涉产生方法原理简洁，得到了较为广泛的研究。若采用涡旋光束作为叠加光束，该技术可简化为双光束干涉，并且能产生一种特殊的“摩天轮”式环形涡旋阵列，形成具有前沿应用价值的均匀环形光陷阱，如应用于原子捕获、量子兼并气体及莫特绝缘体转变等方面。然而，该技术需要两束特定拓扑荷值的涡旋光束干涉，一旦选定，其空间结构几乎不能调控；此外，其干涉光路结构较为复杂、光路调整难度较大。
针对该问题，李新忠教授课题组基于完美涡旋光场调控技术，结合傅里叶变换相移技术；发展了一种单路光束干涉环形涡旋阵列产生技术；这种环形涡旋阵列空间模式丰富、调控自由度高、空间结构稳定、实验装置简易，可为光镊、原子光捕获、量子寄存器等领域的研究提供一种新型结构光场。该研究成果以“Generation of Circular Optical Vortex Array” 为题发表在2017年第12期的Annalen der Physik 杂志上[529(12), 1700285(2017)]，并被选为封面论文。
该技术首先通过计算全息技术产生相位掩膜板；然后，基于光束独立传播原理，通过调整相位掩膜板中两完美涡旋相位平移因子，在远场实现了单光路双光束叠加干涉；通过调控其叠加百分比最终获得了可自由调控的环形光学涡旋阵列（图2）。由于采用了独特的单光路干涉技术，该方法实验光路简单、生成的阵列结构稳定。
研究发现，涡旋阵列中的涡旋数量及符号满足公式：N=(l1-l2)，其中，l1, l2分别为叠加时外、内完美涡旋光束的拓扑荷值，|N|为涡旋阵列中的涡旋数量，N的符号即为产生的涡旋阵列中涡旋的符号（图3）。通过对两完美涡旋光束施加不同的初始相位差因子Ψ0，可以实现环形涡旋阵列的自由旋转，其旋转方向由Ψ0/(l1-l2)的符号确定；符号为正，逆时针旋转；符号为负，则顺时针旋转。进一步研究发现，采用多光束完美涡旋叠加，该技术可实现多环嵌套涡旋阵列；每个环上的涡旋数量及符号可独立自由调控，若施加不同初始相位差因子，可实现多环涡旋的同向/逆向自由旋转调控（图4）。
该工作进一步丰富了光学涡旋阵列的空间模式分布，这为微粒操纵、光镊技术等领域的应用提供了一种调控自由度较高的环形空间结构光场。
论文链接：
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/andp.201700285/full
二
完美涡旋光束模式的自由变换
完美涡旋的优势也恰恰是完美涡旋光场目前面临困境的根源所在：其模式分布过于单一，无法满足很多领域的应用需求。例如：在对生物微粒操纵时，光束热效应会对生物细胞产生热损伤；在操纵不规则微粒时，具有非对称模式分布的涡旋光场更具优势。此外，在光束整形、光束精确调控及微加工等领域均要求光束具有更为丰富的模式。
针对该问题，李新忠教授课题组基于傅里叶变换的坐标缩放特性，提出了完美涡旋光束的模式自由变换技术，实现了完美涡旋光束在圆形与椭圆形之间的自由变换；对半整数阶椭圆完美涡旋光束，其缺口位置和缺口数量可自由调控。并且，在模式变换过程中，其“完美涡旋”特性能够很好的保持。该成果以“ Controllable mode transformation in perfect optical vortices” 为题发表在2018年第2期的Optics Express杂志上[26(2),651(2018)]。
该技术基于傅里叶变换中的坐标缩放性质，把完美涡旋掩模板在一个坐标方向进行拉伸或压缩，之后使用椭圆形光阑进行振幅调制，从而实现了完美涡旋光束模式由圆形转变为椭圆形，其椭圆率e由拉伸参数m决定（见图1）。在变换过程中，每一种模式的光束均保持了较高的模式纯度（>0.9）。
通过将掩模板涡旋项替换为图2中第2、4行所示的涡旋项，可实现分数阶椭圆形完美涡旋光束的缺口位置与多缺口模式的自由调控变换。将变换后的分数阶涡旋模式分解为整数涡旋模式的叠加，发现在单缺口及多缺口模式的变换过程中，其拓扑荷值始终保持不变。此外，随着缺口数N的增加，多缺口模式的能量逐渐由l=1、2的整数阶涡旋态向着两边的涡旋态流动。
该工作突破了完美涡旋光束单一模式的限制，实现了完美涡旋光束多种模式的自由调控及变换技术。这将进一步拓展完美涡旋光场在特殊微粒操纵、光束整形及激光微加工等领域的应用。此外，该技术有望为其他特殊激光光场的模式调控及变换提供一种新思路。
论文链接：
https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-26-2-651&origin=search
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