图1 可控脉冲环型剖面的完美光学涡旋（POVs） 示意图

光学涡旋 被认为是一种具有螺旋波前奇点包围的相，并且具有独特的性能，如可以携带环形轮廓的轨道角动量（orbital angular momentum (OAM) ）。该特性具有一个十分令人兴奋的应用，如受激发射损耗纳米显微镜分析（ stimulated emission depletion (STED) nanoscopy）、光学操控、同时应用在经典和量子状态下的轨道角动量（OAM）倍增光学通讯、增强光学成像以及最近新发展的高强度涡旋物理等等。然而，传统涡旋所产生的环形轮廓的尺寸强烈的受携带拓扑电荷的影响。

图2 实验的示意图

在2013年，Ostrvsky及其合作者首次提出一种完美光学涡旋（ perfect optical vortices (POVs)）的概念，这是一种在傅里叶平面上形成一种脉冲环的状态，此时它的半径在拓扑电荷的作用下处于准独立的状态。就在同一年，采用动态捕获微粒的办法显示了完美涡旋光束及其相应的亮环。同时也表明这些完美的涡旋提供了沿亮脉冲环将轨道角动量（orbital angular momentum (OAM) ）转换成捕获粒子的可能性。

图3 电荷作用下镶嵌螺旋相的CDG所产生的黑色POVs的模拟和实验结果

一年后，这一新型的光学涡旋被提出用于轨道角动量（orbital angular momentum (OAM) ）的光纤通讯中的倍增，它可以提供耦合倍增轨道角动量（orbital angular momentum (OAM) ）光束到一定的环状纤维中。然而，过去报道的完美光学涡旋的脉冲环都是亮的环状形态，这会阻碍在某些情况下的应用。

最近，一种通用型的，建立在在圆达曼光栅（Circular Dammann Gratings (CDGs) ）基础之上的可控脉冲环型剖面的完美光学涡旋（POVs）被提出来，并且被中国科学院上海光学精密机械研究所的研究人员给予了证实。这一研究成果以题目“Circular Dammann gratings for enhanced control of the ring profile of perfect optical vortices”“”发表在近期的期刊《Photonics Researc》上。

图4 电荷作用下黑色POVs在离焦平面下干涉图的模拟和实验结果

随着这一设计理论的发展，圆达曼光栅（Circular Dammann Gratings (CDGs) ）在光学测量、光学图像编码、结构光泵浦激光器和环形激光照明等领域得到应用。然而，传统的圆达曼光栅（Circular Dammann Gratings (CDGs) ）所产生的脉冲环并不能处理任何轨道角动量。

基于该公开报道的研究结果，圆达曼光栅（Circular Dammann Gratings (CDGs) ）中的每一衍射级的傅里叶频谱均包含一个螺旋相，其重量几乎为两个脉冲环的总和，一个朝里，而另外一个朝外的脉冲环。

于是，这就有可能来控制环形的脉冲形状镶嵌在螺旋相中任意的改变两个脉冲环的加权系数。

在验证实验中，可编程的螺旋调制光用于模拟圆达曼光栅（Circular Dammann Gratings (CDGs) ）的相，镶嵌在螺旋相中。此时的结构优化后用于获得两个脉冲环之间理想的加权系数。

图5 电荷作用下黑色POVs在离焦平面下相分布的模拟和实验结果

结果显示完全黑色的完美光学涡旋（ perfect optical vortices (POVs)）被两个亮的叶环在不同的边所包围，显示出完美的环电势，沿这些黑色的脉冲环进行捕获稳态的低折射率粒子、胞或量子气体等。

图6 蓝色光学旋涡造成的视错觉

而且，几个不同脉冲环的完美光学涡旋（ perfect optical vortices (POVs)），包括传统的包含亮环的完美光学涡旋（ perfect optical vortices (POVs)），以及前面提到的黑色的完美光学涡旋（ perfect optical vortices (POVs)）和可控脉冲环的完美光学涡旋（ perfect optical vortices (POVs)）均给予了展示。

图7 飞秒激光产生的光学涡旋

这一工作为任意轨道脉冲环的重新塑形而得到完美光学涡旋提供了可能。这一成果在光学操纵，不论是量子光学通讯还是经典光学通讯，增强光学成像以及新型结构光泵浦激光器等方面均有非常有意义的应用前景。

完美光学涡旋（Perfect optical vortices (POVs) ）提供了解决由于经典光学涡旋在拓扑电荷作用下的强相关的解决方案。然而，传统的完美光学涡旋是将其沿发射方向全部重塑成单个的树叶的形状。来自上海光机所的研究人员提出一种基于调制原形的正余弦函数的径向函数的原理来调制增强控制完美光学涡旋（Perfect optical vortices (POVs) ），通过镶嵌螺旋相的径向的达曼光栅来实现。

另 中红外高峰值功率的涡旋激光在驱动高次谐波产生具有轨道角动量的X射线方面具有重大应用前景，因而光学旋涡的产生和操控受到了广泛的关注。但是，由于螺旋相位板、空间光调制器等器件的损伤阈值限制和透射率低等因素，难以使用这些器件直接产生高峰值功率的涡旋激光。近年来，光学参量啁啾脉冲放大（OPCPA）技术结合了光学参量放大和啁啾脉冲放大技术两者的独特优势，例如高增益、高保真度、低热效应和可调谐波长等，在高峰值功率激光系统中被广泛采用。因此，利用涡旋光产生和OPCPA放大技术成为产生高能飞秒中红外涡旋光的有效手段。

研究人员认为，这种高能量中红外飞秒涡旋光激光源为强场激光物理学领域提供了一种新工具，并且可以用作驱动产生携带轨道角动量、光子能量达keV量级的高次谐波以及其它次级辐射。该方法可以进一步扩展到其他波长以及更高峰值功率的涡旋光激光系统，将极大地推动相关领域的发展。

图8 上光所基于OPCPA的飞秒中红外涡旋光激光示意图

图9 西工大两种模式光纤的调制模型下的光学涡旋光纤激光器

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参考文献

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APL Photonics 4, 060801 (2019); https://doi.org/10.1063/1.5094599

来源：Junjie Yu, Chaofeng Miao, Jun Wu, and Changhe Zhou，Circular Dammann gratings for enhanced control of the ring profile of perfect optical vortices, Photonics Research Vol. 8, Issue 5, pp. 648-658 (2020) •

https://doi.org/10.1364/PRJ.387527