摘要:完美涡旋光其光场的亮环半径不会随着拓扑荷值的增大而增大，因此在量子信息编码以及微粒操控等方面具有重要研究意义，本文主要介绍光子轨道角动量制备的基础理论；以及实现完美涡旋光的理论支撑与技术手段。
关键词：涡旋光场；完美涡旋光 引言
光子既能传输经典信息，同样也是量子信息传递的理想载体。研究发现单个光子不仅具有自旋角动量，传输中还可携带轨道角动量。携带有轨道角动量的光束即称为涡旋光束。涡旋光束在量子信息传输、光学测量、粒子旋转与操纵、成像技术及图像识别处理等领域具有重要的应用价值，是当前信息光学领域的一个研究热点。目前涡旋光束的制备方法常用的有：柱透镜几何转换法；螺旋相位板法；基于空间光调制器的叉形衍射光栅；集成轨道角动量发射器等。而在涡旋光束中，其拓扑荷值是一个重要的参数。光束的拓扑荷值与轨道角动量成正比，若光束亮环半径半径不随拓扑荷值增大而改变则称之为完美涡旋光束。目前常用的获取完美涡旋光的方法有：利用光学元件振幅相位元件或锥透镜等制备完美涡旋光场。本文主要分析光子轨道角动量制备的基础理论以及完美涡旋光的制备方法。
1.实现光子高阶角动量制备的理论方法
1）柱透镜几何转换法，在实验中如需获得不同模式的激光束，可让入射激光束通过一些光学器件实现模式转换。常见的几何模式转换法，例如，利用两个柱面透镜以实现厄米高斯光束模式与拉盖尔高斯光束模式的相互转换。2）螺旋相位板法，螺旋相位板是由平面和螺旋面的透镜介质组成的纯相位衍射元件。螺旋相位板的厚度绕着板的中心点随着方位角 而增加。由于介质厚度不同，当入射光的波长为 时，光束经过相位片各部分光程差不同，从而导致相位差，形成螺旋结构；3） 叉型衍射光栅法，若将基模高斯光束入射到加载了exp(ilϕ) 相位的叉型光栅，即会产生一级衍射光且获得l重的螺旋相位结构，进而使得每个
光子携带 的轨道角动量；4）集成轨道角动量发射器制备法，2012 年英国Bristol 大学余思远研究组设计了一类基于硅基光波导的环形光学微腔和环形微纳光栅, 演示了携带不同轨道角动量涡旋光束的阵列发射, 该技术可用于光子芯片的光波导互联, 因此对未来适用于高维量子信息处理的光子芯片的设计具有启发性。
2.完美涡旋光的制备方法
2.1利用光学元件——振幅相位元件制备完美涡旋光
根据相关理论，完美涡旋光束光场的复振幅可以用以下形式表示：
（1）
其中（ρ，θ）表示极坐标系，δ表示建立在该极坐标系下的狄拉克函数，ρ０为该完美涡旋光束的光环半径，i为虚数单位，m为拓扑荷值。从上式可以看出，该完美涡旋光束为半径为ρ０的无限窄的环，且ρ０与拓扑荷值没有关系。（１）式中表示的完美涡旋光束可由理想贝塞尔模式产生，则在透镜傅里叶变换入射面上的复振幅可表示为如下形式：
（2）
上式中(ｒ，φ)表示极坐标系，α表示第一类m阶贝塞尔方程Jm（x）的比例因子。
2.2锥透镜法制备完美涡旋光
狄拉克函数只在理想状态下成立，因此根据上述理论计算中（１）式获取完美涡旋光束的方法在实验中是无法实现的。因此可选取其他合适的函数替代狄拉克函数，进而得到近似的完美涡旋光，并保证该光束在一定参数范围内与完美涡旋光束的特性一致。根据已有的理论研究发现，理想状态下的贝塞尔光束通过傅里叶变即可换得到仅与（１）式相差一个比例系数的复振幅分布，这样便可利用近似的贝塞尔光束傅里叶变换得到类似于（１）式的涡旋光场分布。
在实验中，一般采用将理想贝塞尔光束进行高斯截断的方法即可获得一种近似的贝塞尔光束（贝塞尔－高斯光束），其复振幅可表示如下：
（3）
上式中Jm表示第一类m阶的贝塞尔函数； 表示高斯光束的束腰半径，其作用为截断贝塞尔函数；kr 表示波矢的径向分量。
2.3 利用最优化的相位光学元件制备完美涡旋光
为优化涡旋光束质量，可利用光学元件将光束的光环能量重新分布。利用当前微加工技术以及最优化的设计标准，以实现在指定的完美涡旋光半径上将入射光强进行分配，得到优化的涡旋光束。
小结
完美涡旋光在当前信息通信等研究领域中具有广泛的研究前景，本文借鉴当前研究现状，整理综述获得完美涡旋光束的理论依据以及常用的实验方法。目前所获的完美涡旋光束模式还比较单一，还需更加深入研究，丰富涡旋光束的空间模式以适应更多研究领域的需求。
参考文献：
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[2]李新忠，台玉萍，李贺贺，等．分数阶高阶贝塞尔涡旋光束的矢量波分析法研究［Ｊ］．中国激光，2016,43(6):0605002
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基金项目：
[1] 武警工程大学基础研究项目：WJY202101 ，“非正则光涡旋的传输特性与控制”
[2] 武警工程大学科研能力提升计划项目：WKY202117，“完美涡旋光的制备”
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