涡旋光场的不同特性测量及其微粒操纵应用研究

光学涡旋具有特殊的波前结构和确定的光子轨道角动量，因此显示出了巨大的应用前景。近年来，国内外研究人员对之进行了广泛研究，并取得显著成果。然而，我们至今未见国内有关利用涡旋光对微粒进行旋转操纵和三维微操纵方面的实验报道。.本项目，利用计算全息的方法和纯相位型反射式空间光调制器的方法获得不同拓扑荷值的涡旋光。研究涡旋光与平面波和球面波之间，及不同涡旋光之间的相干特性，并对其角动量态，小孔衍射特性，半屏衍射特性，以及在不同介质（光折变晶体，光致变色材料，光致各向异性材料，非线性材料）中的传播特性进行详细的理论和实验研究。同时将涡旋光引入到光镊系统中，实现对微粒的捕获和旋转操纵，并测量其作用力大小。通过控制显示在空间光调制器上的相息图，实现对微粒的二维或三维微操纵实验。

光学涡旋具有特殊的波前结构和确定的光子轨道角动量，因此显示出了巨大的应用前景。近年来，国内外研究人员对之进行了广泛研究，并取得显著成果。然而，做为一门新的学科，还有许多相关内容还没来得及研究，因此有关的它的研究不仅具有广阔的应用前景，而且也带有基础性和前瞻性，具有一定的创新性和挑战性。比如，在本项目开题之前我们未见国内有关利用涡旋光对微粒进行旋转操纵和三维微操纵方面的实验报道。.本项目中：.（1） 在国内首次利用纯相位型反射式空间光调制器的方法获得不同拓扑荷值的涡旋光，同时也利用SLM计算全息的方法获得不同涡旋光，并进行了比较；结果表明两种方法都具有灵活、快速、计算机实时可控，实验光路简单等优点；方法一还具有转换效率高（可达60%以上）的优点；利用方法二，容易获得不同拓扑荷值涡旋光叠加光场。.（2）对涡旋光的相干特性及角动量态进行了详细研究：拓扑荷为l的涡旋光和平面波干涉，相位奇点处的干涉条纹由一条分为l+1条，l正向下分岔，l负向上分岔；和球面波的干涉条纹是l个互相嵌套的螺旋环，l正顺时针方向旋转，l负逆时针方向旋转。.（3） 对离轴涡旋光在空气中传播过程中其相位奇点位置的变化特性进行了研究：位相奇点绕光斑中心旋转，l负顺时针方向旋转，l正逆时针方向旋转。传播距离增大，旋转角度φ增大，旋转速度减小，φ一直趋近π/2，且l值数保持不变。.（4） 进行了双涡旋光束共线叠加场的产生与分离实验：国内首次利用计算全息法获得不同拓扑荷值涡旋光叠加光场。叠加场中心仍然为一个黑心，l值大直径大，围绕中心还出现很多对称分布的黑心，数目等于两个涡旋光l值之差的绝对值。并尝试利用Mach-Zehnder干涉仪光路进行分离，但没成功。.（5） 对涡旋光在双折射晶体中传播特性进行了研究：理论上发现l=2的涡旋光传播过程中将会分为两个l=+1的涡旋光，然后再合为一个；实验研究还在进行当中。.（6） 将涡旋光引入到光镊系统中，实现了对微粒的捕获，以及旋转和三维操纵。.（7）国内首次利用一束l=2的右旋圆偏振涡旋光和左旋圆偏振平面光合成得径向矢量光和角向矢量光。.（8）尝试了获得环形光束的其它方法，并将其引入搭建的光镊系统，实现了对多个颗粒的同时捕获并排列成圆环；.（9）另外还进行了涡旋光半屏衍射特性、对微粒捕获力大小测量等实验，但实验结果都很不理想。

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