基于計(jì)算全息光柵產(chǎn)生高能光學(xué)渦旋的研究.pdf

1、光鑷(optical tweezers)在問(wèn)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(guó)Bell實(shí)驗(yàn)室首先實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)聚焦激光束對(duì)微米尺寸的玻璃球進(jìn)行捕獲和三維操縱，同時(shí)將光鑷技術(shù)用于生命科學(xué)的研究。光鑷非接觸式操控的特點(diǎn),打開(kāi)了無(wú)損地研究活細(xì)胞的方便之門(mén)。在納米科技和生命科學(xué)迅速發(fā)展的21世紀(jì),作為這兩個(gè)領(lǐng)域得力工具的光鑷技術(shù)必將具有廣闊的應(yīng)用前景,成為本領(lǐng)域科學(xué)研究不可或缺的技術(shù)手段之一。
　　光鑷技

2、術(shù)的初步發(fā)展已極大地推進(jìn)了生命科學(xué)的發(fā)展,加速了人類(lèi)認(rèn)識(shí)生命奧秘的步伐。但作為一門(mén)新興技術(shù),其技術(shù)局限性是顯而易見(jiàn)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(lái)增大勢(shì)阱力，又會(huì)損傷活體粒子。然而渦旋光束中間光強(qiáng)為零，不會(huì)對(duì)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(chǎn)生成為了光鑷技術(shù)發(fā)展過(guò)程中的一個(gè)重大突破。
　　光學(xué)渦旋（Optical Vortices，OV），也稱(chēng)為一個(gè)螺型位錯(cuò)或相位的奇異。在光學(xué)渦旋中，

3、光波的相位繞著光軸被扭曲成螺旋結(jié)構(gòu)（含相位因子exp(ilφ)），正因?yàn)檫@樣的扭曲，使得光波在軸上相互抵消，呈現(xiàn)為一個(gè)中心為暗核的光圓環(huán)。Allen發(fā)現(xiàn)具有螺旋相位波前結(jié)構(gòu)的光束每個(gè)光子攜帶l~的軌道角動(dòng)量（orbital angular momentum，OAM），從此光束的軌道角動(dòng)量開(kāi)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(shì)。
　　光學(xué)渦旋可以用作“光學(xué)鑷子”操縱微米尺寸的粒子，比如細(xì)胞，也

4、可以作為“光學(xué)扳手”，通過(guò)光與物質(zhì)的相互作用將攜帶的軌道角動(dòng)量傳遞給微粒使其發(fā)生旋轉(zhuǎn)。光學(xué)渦旋理論上有無(wú)窮多的狀態(tài)，因?yàn)樗鼈兊耐負(fù)浜蓴?shù)不存在限制，因此，利用光學(xué)渦旋可以進(jìn)行更高帶寬的信息通信，為加密技術(shù)的發(fā)展提供了新的研究方向。
　　目前，產(chǎn)生光學(xué)渦旋的方法有：激光器直接產(chǎn)生、螺旋相位板法（spiral phase plates，SPPs）、計(jì)算產(chǎn)生全息法（computer-generated holograms，CGH）、模式轉(zhuǎn)

5、化器（mode converter）以及空間光調(diào)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(jì)算產(chǎn)生全息法，研究通過(guò)多種方法制作叉型衍射光柵產(chǎn)生LG光束。
　　第二章介紹了高斯光束、拉蓋爾-高斯光束的相關(guān)理論，著重闡述了拉蓋爾-高斯光束具有螺旋相位波前結(jié)構(gòu)和攜帶特定軌道角動(dòng)量的特性，以及其在光鑷中的應(yīng)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(guò)此光柵產(chǎn)生LG光束的基本原理；然后在實(shí)驗(yàn)上通過(guò)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(jiǎn)單，但分辨率較低，由于受到膠片損傷閾值低的限制，通過(guò)這種方法獲得的CGH光柵不適用于超強(qiáng)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(wú)法承受高能量的飛秒激光脈沖；而通過(guò)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(dá)101

7、2W/cm2），但是存在分辨率低和光柵槽粗糙的缺點(diǎn)，導(dǎo)致只能產(chǎn)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(diǎn)，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(diǎn)，基于光刻技術(shù)制作高質(zhì)量的振幅型CGH光柵，這樣的光柵具有分辨率高（高達(dá)100線(xiàn)/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(jí)的粗糙度）的特點(diǎn)，能夠產(chǎn)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(chǎn)生了高能量的飛秒光學(xué)渦旋；由于振幅型CGH光柵的衍射效率較低（不超過(guò)8％），為了提高光柵的衍射效率，我們結(jié)合光刻與濕法刻蝕技術(shù)，在振幅型CGH光柵的基礎(chǔ)上，進(jìn)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(duì)光柵衍射效率的影響關(guān)系，從而大大提高了光柵衍射效率（最高可達(dá)35%）。
　　通過(guò)上述光刻技術(shù)制作的高質(zhì)量CGH光柵可以用于產(chǎn)生高能量的飛秒光學(xué)渦旋，為研究飛秒渦旋光束在“渦旋光鑷”、大氣遠(yuǎn)程傳感