文献综述
研究背景
涡旋光束又称作暗中空光束或空心光束，即在传播方向上其中心的光强保持为０[1]。这一概念由J．F．Nye和M．V．Berry在1974年首次提出，J．M．Vaughan等在1979年首次研究其相位特性。在20世纪80年代，这种涡旋结构被发现存在于某些非线性介质材料中。涡旋光束最主要的特征是在其涡旋中心处具有相位奇异性和零强度光场，而这种环状结构的光束可以被用来作为俘获带电粒子的势阱。此外，在传输过程中，涡旋光束所具有的轨道角动量会被环境扰动所调制，因此可以用来反映环境变化的信息[2]。涡旋光束还有其它特殊的光学特性，包括传播过程中光强呈现为环状分布、具有螺旋形的波前结构、长距离传播时稳定性以及中心暗斑尺寸极小，同时涡旋光束本身不仅具有线性动量还携带有轨道角动量以及拓扑荷数。产生光涡旋的方法主要有计算全息图法、螺旋相位板法和空间光调制器法。针对涡旋光束相位拓扑荷的测量主要有干涉测量法、衍射测量法和柱面镜测量法等[3]。它为空间光学通信、微生物科学、数学物理以及光学模拟计算提供了新的研究途径。
研究现状
在计算全息法产生涡旋光束的实验中[4]，燕山大学朱艳英等基于计算全息法，通过计算和模拟得到了涡旋光束与平面光束干涉所产生的位错条纹，用胶片记录位错条纹并制作成位错光栅，在自行设计搭建的光路中进行实验获得 1~4 阶的涡旋光束。实验结果表明，各阶涡旋光束的空心半径随着阶数的增大而逐渐增大，与理论分析相符合；实验进一步观察到各阶光栅的二级甚至三级衍射光束，当入射光束中心与光栅位错中心重合时，能够产生光强分布对称的涡旋光束，当光束中心和光栅中心不重合时，产生的涡旋光束的光强分布不对称。
也有人利用螺旋相位板获取涡旋光束，利用涡旋光束的聚焦光斑来对样品进行实时的操控，可以把spp装置耦合进自行组装的光镊系统中。半导体激光器发出的光束首先经扩束装置后照射在拓扑荷数一定的spp上，然后其出射光束经显微镜的物镜对光束聚焦作用到样品中，并由相应的ccd及其电脑软件进行图像处理和观察分析。最后得到结论：光斑尺寸受到传输距离z以及spp拓扑荷数1的影响，具体表现为拓扑荷数越大、传输距离越远其半径越大；当激光束连续通过光路中放置的多个spp后，所得新型涡旋光束的阶数为所有spp 拓扑荷数的代数和[5]。
同时也可以对传播过程中的相位演变情况进行研究[1]，从菲涅耳衍射积分出发，对光束在传输过程中的相位变化以及整数阶与分数阶涡旋光束相位奇点的稳定性进行了理论推导和数值模拟。当光束传输一段距离后，光场在观察平面上的等相位线由发散的射线变成了花瓣状的弧线。结果表明，拓扑荷为整数阶的涡旋光束在传输过程中，相位奇点具有稳定性，而分数阶光束的相位奇点不再保持稳定性，其观察平面的光强分布不对称，且涡旋光束中心为暗核的特点消失。
当光信号在自由空间光通信系统中传输时，波前会受折射率不均匀的大气的影响，导致光束抖动、光强闪烁及光束扩展等大气湍流效应。对于涡旋光束，大气湍流会引起轨道角动量谱的弥散，造成相邻阶次间发生串扰，增大误码率，降低传输效率，甚至阻断传输系统。因此，高春清等人针对涡旋光束研究新型的波前校正技术，对近年来涡旋光束自适应波前校正方面的研究进行了分析，如应用高斯探针光束和GS算法相结合的预校正技术，以及应用Zernike多项式和SPGD算法进行校正的方法并通过实验进行了验证[6]。
此外，贺超等人利用几束共轴的高斯光束进行相应的叠加，基于几何模式转换法形成了一束新式的涡旋光束[7]。Brzobohaty等人提出的计算全息法为复杂涡旋光束的调制提供了一定的理论模拟基础[8]。Kotlyar等人采用实验室自行研制的螺旋相位板产生了各种拓扑荷的新型涡旋光束[9]。可以看出，涡旋光束的产生引起了许多方面的注意，同时也应用于光学及其它领域的各个方面。
总结
