高階軌道角動量光渦旋晶格的產生及Talbot 效應

摘要：光渦旋晶格（optical vortex lattices，OVL）因其在強度和相位結構方面的特性而受到越來越多的關注。干涉是生成OVL 的常用方法。然而，OVL 中所攜帶的拓撲電荷（topological charge，TC）通常較小且固定，難以調制，從而限制了其適用性。使用相位乘法生成一個高階光渦旋晶格，以方便對TC 進行任意調制。生成的高階光渦旋晶格在傳輸過程中表現出Talbot 效應，并在特定的分數Talbot 距離處轉變為超蜂窩晶格和六邊形晶格。這為超蜂窩晶格和六邊形晶格的生成提供了一種新方法。此外，OVL 中攜帶的軌道角動量為其在光學顯微操作中的應用提供了廣闊前景。研究結果不僅增進了對Talbot 效應的認識，還拓寬了OVL 的實際應用范圍。

關鍵詞：光渦旋晶格；高階光渦旋晶格；拓撲電荷；Talbot 效應

中圖分類號：TN 241 文獻標志碼：A

引 言

光渦旋晶格是一種常見的、具有多相位奇點的渦旋光場。與相位奇點單一的傳統渦旋光束不同，具有多相位奇點的渦旋光場擁有出色的并行處理能力[1-3]，這顯著提高了其工作效率，使其在光操作與光通信領域具有廣闊的應用前景。通過光束干涉來生成多奇點渦旋光場是一種常見的方法。例如：拉蓋爾?高斯光束[4]、貝塞爾?高斯光束[5] 和完美渦旋光束[6]等渦旋光束之間的干涉常被用來生成多奇點的渦旋光場。但通過干涉形成的光渦旋中所攜帶的拓撲電荷（ topologicalcharge，TC）通常較小，一般僅為 ，且難以調制，這極大地限制了光渦旋晶格的應用范圍。此前，Chen 等[7] 通過低階拉蓋爾?高斯光束的同軸干涉產生光渦旋陣列，并對其相位作高階變換，使光渦旋陣列所攜帶的TC 大小任意可調，從而克服了光渦旋陣列適用范圍小與靈活性低的缺點。Zhu 等[8] 基于這項技術提出了一種形狀可控的高階光渦旋晶格的生成方法。

本文首先分別通過三束、四束、六束高斯光束之間的離軸干涉得到不同的光渦旋晶格，在這些晶格中，一部分晶格具有軌道角動量（orbitalangular momentum，OAM）。分析晶格上的TC難以調制的原因，并利用相位倍乘技術對六邊形晶格和Kagome 晶格中的OAM 進行調控，生成了具有更高OAM 的光渦旋晶格。搭建馬赫?曾德爾干涉光路，通過非同軸干涉實驗驗證生成光渦旋晶格的TC，并分析其相位奇點附近的能量流分布。此外，生成的光渦旋晶格在傳播過程中表現出周期性變化，體現了Talbot 效應。在傳播路徑中，某些階數的光渦旋晶格會在特定的分數Talbot 距離處轉化為超蜂窩晶格，這為超蜂窩晶格的生成提供了一種新的方法。