基于計算全息光柵產生高能光學渦旋的研究.pdf

1、光鑷(optical tweezers)在問世之初被看作是微小宏觀粒子的操控手段，1986年，以Ashkin為首的美國Bell實驗室首先實現了強聚焦激光束對微米尺寸的玻璃球進行捕獲和三維操縱，同時將光鑷技術用于生命科學的研究。光鑷非接觸式操控的特點,打開了無損地研究活細胞的方便之門。在納米科技和生命科學迅速發(fā)展的21世紀,作為這兩個領域得力工具的光鑷技術必將具有廣闊的應用前景,成為本領域科學研究不可或缺的技術手段之一。
　　光鑷技

2、術的初步發(fā)展已極大地推進了生命科學的發(fā)展,加速了人類認識生命奧秘的步伐。但作為一門新興技術,其技術局限性是顯而易見的,傳統(tǒng)光鑷只能束縛高折射率粒子，而以提高激光功率來增大勢阱力，又會損傷活體粒子。然而渦旋光束中間光強為零，不會對活體粒子造成損傷，且能束縛高、低折射率粒子?！皽u旋光鑷”的產生成為了光鑷技術發(fā)展過程中的一個重大突破。
　　光學渦旋（Optical Vortices，OV），也稱為一個螺型位錯或相位的奇異。在光學渦旋中，

3、光波的相位繞著光軸被扭曲成螺旋結構（含相位因子exp(ilφ)），正因為這樣的扭曲，使得光波在軸上相互抵消，呈現為一個中心為暗核的光圓環(huán)。Allen發(fā)現具有螺旋相位波前結構的光束每個光子攜帶l~的軌道角動量（orbital angular momentum，OAM），從此光束的軌道角動量開始逐漸得到廣泛的重視和研究，并在激光生物、信息傳輸及處理上顯示出其潛在的優(yōu)勢。
　　光學渦旋可以用作“光學鑷子”操縱微米尺寸的粒子，比如細胞，也

4、可以作為“光學扳手”，通過光與物質的相互作用將攜帶的軌道角動量傳遞給微粒使其發(fā)生旋轉。光學渦旋理論上有無窮多的狀態(tài)，因為它們的拓撲荷數不存在限制，因此，利用光學渦旋可以進行更高帶寬的信息通信，為加密技術的發(fā)展提供了新的研究方向。
　　目前，產生光學渦旋的方法有：激光器直接產生、螺旋相位板法（spiral phase plates，SPPs）、計算產生全息法（computer-generated holograms，CGH）、模式轉

5、化器（mode converter）以及空間光調制器（spatial light modulator）等。拉蓋爾-高斯光束（Laguerre-Gaussian，LG）是渦旋光束中最典型的一種，本文主要基于計算產生全息法，研究通過多種方法制作叉型衍射光柵產生LG光束。
　　第二章介紹了高斯光束、拉蓋爾-高斯光束的相關理論，著重闡述了拉蓋爾-高斯光束具有螺旋相位波前結構和攜帶特定軌道角動量的特性，以及其在光鑷中的應用前景（渦旋光鑷）。

6、
　　第三章首先介紹了CGH衍射光柵的制作和通過此光柵產生LG光束的基本原理；然后在實驗上通過打印透明膠片法，全息成像法以及基于激光燒蝕的刻蝕金鏡法制作CGH光柵。打印透明膠片方法簡單，但分辨率較低，由于受到膠片損傷閾值低的限制，通過這種方法獲得的CGH光柵不適用于超強激光脈沖；基于全息干板制作的CGH光柵具有很高的分辨率，但是同樣也無法承受高能量的飛秒激光脈沖；而通過激光燒蝕方法制作的CGH光柵雖然具有較高的損傷閾值（高達101

7、2W/cm2），但是存在分辨率低和光柵槽粗糙的缺點，導致只能產生模式較為糟糕的LG光束。
　　為了克服以上光柵制作方法存在的缺點，我們將采用一種新的方法制作CGH光柵。論文的第四章，也是我們的工作重點，基于光刻技術制作高質量的振幅型CGH光柵，這樣的光柵具有分辨率高（高達100線/毫米）、損傷閾值高（可承受幾百GW/cm2的光功率）、平滑度好（sub-μm量級的粗糙度）的特點，能夠產生模式完美的拉蓋爾-高斯光束，接著將其用于飛秒激

8、光脈沖，產生了高能量的飛秒光學渦旋；由于振幅型CGH光柵的衍射效率較低（不超過8％），為了提高光柵的衍射效率，我們結合光刻與濕法刻蝕技術，在振幅型CGH光柵的基礎上，進一步將玻璃腐蝕一定深度，制作成矩形槽型的相位型CGH光柵，探究了入射角對光柵衍射效率的影響關系，從而大大提高了光柵衍射效率（最高可達35%）。
　　通過上述光刻技術制作的高質量CGH光柵可以用于產生高能量的飛秒光學渦旋，為研究飛秒渦旋光束在“渦旋光鑷”、大氣遠程傳感