光學渦旋(optical vortex)也稱為光渦,是光學場中的零點,也就是光強度為零的點。自從約翰·奈英語John Nye (scientist)米高·貝里在1974年提出全面性的論文後,就開始了許多光學渦旋性質的研究[1],論文描述「光波列位錯」的基本性質,這個研究後來成為「奇點光學」(singular optics)的核心理論。

解釋

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在光學渦旋中,光會像螺旋開瓶器一般,沿着其軸扭轉。因為其扭轉,在軸的位置光會彼此相消。若投影在一平坦表面上,光學渦旋看起來會像一個光環,在中間有一個沒有光的黑色區域。這種螺旋形行進,中間黑暗的光,稱為光學渦旋。

光學渦旋的拓撲荷英語topological charge定義為其在一個波長的扭轉次數,拓撲荷恆為整數,依其扭轉方向可能是正數或是負數。拓撲荷越大表示光沿着軸旋轉的越快。此自旋會隨着光波列而有角動量,若有電偶極矩則會產生力矩

光的軌道角動量可以由捕獲粒子的軌道運動來觀察。光學渦旋和平面光的干涉會出現同心螺旋的螺旋相位。

在實驗室中有許多方式可以產生光學渦旋。一般可以直接用雷射產生[2],或者用一些方式,將雷射光束變成渦旋,例如用電腦產生全息圖,螺旋相位延遲的結構,或是材料中的雙折射渦旋。

性質

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光學奇點是光場中的零點。在場中的相位會沿着零強度的點旋轉(因此稱為渦旋)。光學渦旋在二維場中為一個點,在三維場中為一條線(其余維數為2)。將場中的相位沿着包圍渦流的路徑場積分,會得到2π的整數倍。此整數稱為光學渦旋的拓撲荷或是強度。

超幾何高斯光束(HyGG)在其中心有一個光學渦旋,光束的形式為

 

為旁軸波動方程含有貝索函數的解(參照近軸近似)。超幾何高斯光束中的光子有軌道角動量,其中的正整數m也就是光束中央渦旋的強度。圓偏振光的自旋角動量可以被轉換成軌道角動量[3]

創造光學渦旋

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用計算機生成全息圖產生的光學渦旋

有許多的方式可以產生超幾何高斯光束靜態螺旋相位板(Static spiral phase plate, SPP)、電腦產生的全息攝影模式轉換(Mode conversion)、q板英語q-plate、s板、空間光調製器英語spatial light modulator可變形反射鏡英語Deformable mirror等。

應用

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光學渦旋可用在許多應用中,例如以往只能直接偵測太陽系外行星可以用旋風星冕儀觀測。光鑷可以用在處理像細胞大小的物體等,受激發射損耗顯微鏡英語STED microscopy中也有到光學渦旋的技術。

相關條目

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參考資料

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  1. ^ Nye, J. F.; M. V. Berry. Dislocations in wave trains (PDF). Proceedings of the Royal Society of London, Series A. 1974, 336 (1605): 165–190 [2006-11-28]. Bibcode:1974RSPSA.336..165N. doi:10.1098/rspa.1974.0012. 
  2. ^ White, AG; Smith, CP; Heckenberg, NR; Rubinsztein-Dunlop, H; McDuff, R; Weiss, CO; Tamm, C. Interferometric measurements of phase singularities in the output of a visible laser. Journal of Modern Optics. 1991, 38 (12): 2531–2541. Bibcode:1991JMOp...38.2531W. doi:10.1080/09500349114552651. 
  3. ^ Marrucci, L.; Manzo, C; Paparo, D. Optical spin-to-orbital angular momentum conversion in inhomogeneous anisotropic media. Physical Review Letters. 2006, 96 (16): 163905. Bibcode:2006PhRvL..96p3905M. PMID 16712234. arXiv:0712.0099 . doi:10.1103/PhysRevLett.96.163905. 

外部連結

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