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你还不知道“涡旋光束”?
2019-11-07 12:13:17 来源:暗冲资讯  作者:
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1836年,whewell观察了同一条潮线和潮峰的演变过程,发现同一条潮线的多条线在同一点相遇并沿同一点旋转,潮峰消失,这里的潮位为零,这就是潮波中存在的相位奇点。类似的现象也存在于光学领域。我们称这种光束为涡旋光束。

与普通光束相比,涡旋光束自1989年首次提出以来,由于其独特的特性,引起了研究者的极大兴趣,并迅速成为现代光学研究的一个重要分支。今天,让我们来看看涡旋光束。

涡旋光束是一种具有环形光强分布和螺旋波前结构的光束,除自旋角动量外,还具有轨道角动量。在透射过程中,光束中心具有相位奇异性,光强为零,没有热效应和衍射效应。

首先,什么是“漩涡”?事实上,“漩涡”的意思是“漩涡”。你一定见过生活中的“漩涡”,比如:

“漩涡”一般指由低洼处水流激发的螺旋水漩涡。或者当气体、烟雾等旋转时形成的螺旋流动方向。

——摘自《新华字典》

理解“漩涡”,然后看看光束。

生活中有许多常见的光:

基本概念:

光线:在几何光学中,一个发光点发出的光通常被抽象成许多带有能量和方向的几何线条。

波前:当发光点发出的光波在周围传播时,在某一时刻具有相同振动相位的点形成的等相位面称为波前,简称波前。

波束:对应于波面的所有光线的集合称为波束。

那么,对应于“涡旋波表面”的所有光线的集合是什么?要回答这个问题,必须回到生命之源——水。

向平静的湖中扔一块小石头,你会看到美丽的涟漪。

仔细看看这张照片:

如图所示,水波从投掷石块的地方开始,以波浪的形式扩散到远处。由于光是波动的电磁波,它是电磁振动在空间中的传播,即以交变电磁场相互激励的形式从发光处(光源)传播到一定距离。与水波不同,光波不需要介质来传播。

光的传播

以下是两种常见情况:

案例1:

水波的传播依赖于介质,所以它们局限于水面,是二维的,所以相连的等相线是一个圆。然而,光的传播依赖于电磁场的相互激发,电磁场不需要介质,可以在三维空间中自由传播。这些等相线的组成平面是等相平面,它是一个以电灯为中心的同心球体。如下图所示:

从一个点发射到三维空间(如灯泡)的光是以发光点为中心的同心球面,称为“球面波”。

案例2:

手电筒发出的光束大致平行。如果其等相线相连,它们将形成一个近似平面,即等相平面(波平面)。这种波面在传播过程中相互平行的光波称为“平面波”。

普通激光器发射的激光也可以近似视为平面波。

涡旋光束的波面是什么?

它既不是球体也不是平面,而是螺旋!

下图显示了我们生活中常见的螺旋结构:

涡旋光束的波面是这样的螺旋。

图中的m是涡旋光束的轨道角动量,也称为拓扑电荷数(topological charge number),它简单地指围绕光束中心的相位变化为2π的次数。旋转的地球有自旋角动量(sam),围绕太阳旋转的地球有轨道角动量(oam),光子也可以携带角动量——通过用极化表示的自旋角动量和用螺旋和其他相平面表示的上述轨道角动量。这种涡旋光束中每个光子携带的轨道角动量可以传递给粒子,驱动粒子旋转,从而实现粒子的捕获和平移。

这种螺旋结构是如何捕捉粒子的?做一个简单的生活实验。

实验准备:

实验操作:

(图中红色是烧杯的中心标记)

用玻璃棒搅拌烧杯中的水形成涡流后,最初分散在烧杯角落的“颗粒”(硅胶颗粒)首先开始随水流旋转。当搅拌停止时,颗粒缓慢旋转并聚集在烧杯底部的涡流中心区域,该区域似乎受到力的约束。显然,是螺旋水产品产生了这种力量。可以推断这种螺旋结构有捕捉粒子的能力。此外,我们还可以看到,当烧杯中的水被搅拌形成漩涡时,水面在中心形成凹陷,因为离水流中心越近,水面的扭曲变得越来越紧,最终形成奇点,这也有助于我们理解漩涡光束环形分布的暗而空的光强结构。

因此,科学家认为涡旋光束,像烧杯中的涡旋水一样,螺旋前进,所以涡旋光束有可能具有相同的“结合”粒子的能力。早在1995年,k. t. gahagan和g. a. jr. swartzlander等人的研究小组就证实了这种推测。他们用这种涡旋光束实现了水中20微米直径中空玻璃球的三维捕捉。

捕捉过程:漩涡光束聚焦在水中的中空玻璃球上,玻璃球开始旋转,然后逐渐向光环的中心移动。在涡旋光束相对强且粒子相对小的情况下,涡旋光束将粒子结合到光束的光环上。当粒子相对较大且光束不强时,粒子将向光束的中心暗核旋转,并最终被捕获在光束的中心。当粒子相对较小并且光束较强时,由于强光区域中的梯度力,粒子将被捕获在光束的亮环上。

原则解释:

对于小粒子,动量反冲力占主导地位,动量反冲力是光散射产生的力。对于聚焦紧密的涡旋光束,散射力的主要分量位于光束传播的方向,而梯度力又将粒子限制在最大光束强度的环上。然而,因为涡旋光束强度分布是圆柱对称的,所以粒子不受方位角的限制,并且可能被捕获在最强光晕的任何位置。较大的粒子将与光束的内部自旋和外部轨道角动量相互作用,导致粒子在围绕光轴旋转的同时旋转。因为粒子很大,它们受到的梯度力相对较小,所以它们不会束缚在光晕上,而是慢慢旋转到光束中心的暗核附近。

俘获过程

早在1986年,人们就发明了利用光捕捉粒子的光镊技术。所谓的光镊是一种利用高度聚焦的激光束形成的三维势阱来捕捉、操纵和控制微小粒子的技术。与机械镊子相比,光学镊子能够以非机械接触的方式夹持和操纵物体。它可以以非接触方式捕获和固定靶细胞,并精确操纵细胞。此外,光镊通过选择合适波长的激光,可以使物质的热效应或化学效应非常微弱,从而对细胞造成非常小的损伤。因此,在生命科学研究中,几乎所有的单细胞操作都是由光镊控制的。然而,传统光镊使用高斯光束(等相位平面近似为平面)。高斯光束的强度在光束中心最强,并向边缘呈指数衰减。其捕获原理不同于涡旋光束,如下图所示:

高斯光束利用梯度力捕捉粒子。

高斯光束依赖于作用在任何透明粒子上的偶极力所产生的朝向光束焦点的力。如果光束被紧密聚焦,并且合成的梯度力足以克服散射力和重力的影响,那么可以为直径为几微米的透明粒子创建三维陷阱,使得粒子被束缚在具有最强光强的中心区域。

高斯光束越强,捕捉粒子的能力就越强。然而,对于许多微小粒子,特别是生物粒子,高强度激光可能会对粒子造成不可逆的损伤。

涡旋光束的强度分布是环形的;

中心强度为零的环形光束

这样一个中央黑点将减少对生物的损害。即使光强增加,也不会对粒子造成太大的损害。粒子可以毫发无损地束缚在光束的中心,因此在生物医学中具有独特的优势。因此,涡旋光束广泛应用于粒子操纵领域,如捕获线粒体、溶酶体、金属粒子、无机和有机粒子等。

捕获Cuo粒子

捕获和标记溶酶体

除了捕获特性之外,涡旋光束携带的轨道角动量是一个相对稳定的量。在光通信中,涡旋光束的拓扑电荷量不仅可以作为传输信息的载体,还可以为信道提供新的复用维度,从而提高空间光通信系统的容量。

涡旋光束还有什么不同寻常的?

1.涡旋光束具有螺旋相位结构。光场中有奇点。在奇点处,振幅为零,相位不确定。光束传播过程中的光强呈圆形分布。

2.它具有轨道角动量,具有机械效应,不仅能产生扭矩,还能移动物体,从而推动了上述光镊的发展。涡旋光束的轨道角动量也可用于自由空间光通信,具有信息存储量大、稳定性高、保密性好的特点,为高密度信息的存储和传输提供了理论支持。

3.具有偏振分布的涡旋光束也可以用于激光加工和材料加工。

有了上述“特殊功能”,涡旋光束将在医学、通信、材料加工等领域有更广泛的应用。

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