滨松涡旋光解决方案 ：空间光调制器LCOS-SLM和科研相机

涡旋光简介

在光学中，有一类光束具有螺旋相位波前结构或者相位奇点的特殊光场分布，其波前沿传播方向上的轴螺旋前进，这种旋转导致光束在光轴处相互抵消，投影到一个平面上看起来像中心暗孔的光环，这类光波通常被称作"光学涡旋(Optical Vortices,简称OV)"。光学涡旋具有三大主要特性：螺旋相位波前结构、确定的光子轨道角动量(OAM)以及暗心结构。

首先，光学涡旋主要被应用光学微操纵技术。与传统方法相比，光学为操纵具有无接触、无损伤、可靠性高、重复性高、尺度小等特点，光子在对微观粒子的微操纵方面具有自己独特的优势。涡旋光束是具有螺旋形相位分布的光束，其表达式中带有相位因子，光束携带轨道角动量，其中 l 称为拓扑荷值。由于涡旋光束具有轨道角动量，所携带的轨道角动量可以传递给微粒，以驱动微粒旋转，还可以实现对微米、亚微米微粒的俘获、平移。

另外，涡旋光在信息编码上也有较大的应用前景，利用涡旋光束的轨道角动量可对信息进行编码与传输。这种新型的编码方式有很多独特的优点。普通计算机为0,1二进制编码，而涡旋光拓扑荷可任意改变，增加编码程度，可用于密码通信，具有以下两种优势。

1)由于拓扑荷值l的取值可以为整数，零，甚至分数，所以有很高的编码能力。

2)具有更高的保密性。

由于光子轨道角动量本征态在数学上构成了一组完备的正交基矢, 因此可以利用轨道角动量来实现高维信息的编码, 这种优势不仅体现在经典光通信领域, 也体现在量子通信领域。

涡旋光的产生

传统上涡旋光的产生主要有叉形光栅、螺旋相位版、柱透镜组合和集成轨道角动量发射器这几种方法。而随着技术的进步，空间光调制器(产品介绍)由于其可以实时高速刷新、针对多种不同波长、高精度和灵活性，成为了目前制备光子轨道角动量最广泛采用的设备。

平行高斯光入射，偏振方向为水平，和LCOS的液晶排列方向相同，垂直入射。经过SLM的调制，反射光经过透镜聚焦，之后由CCD观察光斑。SLM加载的相位为螺旋相位，所以调制之后的光的相位就是螺旋形的，用CCD观察的光斑上可以看到圆环中心清晰的奇点。SLM上加载的相位图可以变换拓扑荷值，例如下图所示拓扑荷值l分别为1，2，3。

滨松可以提供免费的相位图生成软件，用户只需输入拓扑荷值，即可生成相应相位图。

生成的涡旋光光斑如下图所示。

影响涡旋光光斑质量的因素

1)SLM精度。影响涡旋光光斑质量的因素，主要是由SLM的调制精度所决定的。因此，对于涡旋光相关的应用，与精度相关的参数，如线性度、衍射效率、表面平整度等，就是在选择SLM时需要关注的几个关键参数。

滨松SLM的主要优势之一就是它的精度非常高，能保证涡旋光的调制精度和光斑的质量，例如l=1的涡旋光光斑，用不同品牌不同精度的SLM调制出来的效果如下图，可以看出精度差的SLM会导致光斑奇点不圆。

其中线性度还影响SLM使用的方便性，线性度差的SLM需要用户手动进行LUT定标，需要额外的工作才能使用SLM，而滨松良好的线性度便为用户省去了这个步骤，使操作更为便捷。

2)入射光的偏振纯度。有的激光器偏振不纯，所以一般我们都建议在入射光路中加入偏振片来调节偏振方向至与液晶同向。下图是加入偏振片前后的光斑效果图。

 

3)由透镜聚焦后的光斑效果比不聚焦的要好，请见如下实验。

4)入射光没有对准液晶中心。这时会发现奇点的位置是偏移的，通过调节光路，或者在LcosControl软件中调节相位图的位置偏移。

审核编辑 黄宇