Gouy相位对破缺涡旋光场衍射的影响.doc

  Gouy 相位对破缺涡旋光场衍射的影响# 崔海旭，陈璟** （南开大学物理科学学院，天津 300071） 5 摘要：研究了破缺涡旋场的衍射,表明其中的 Gouy 相位会影响衍射条纹，尤其可以导致条纹 的倾斜与其在角向的重新分布。与单缝衍射对比，这个现象是在角向的自由度进行分析，与 角度和角动量间的不确定性原理有关。基于模式展开法的数值模拟与实验结果吻合的很好。 关键词：光学涡旋；Gouy 位相；轨道角动量 中图分类号：O436.1 10 Gouy phase in the diffraction of defective vortex CUI Haixu, CHEN Jing (School of Physics，Nankai University, TianJin 300071) Abstract: We investigate the diffraction of defective optical vortex. The Gouy phase is shown to 15 20 influence the diffraction pattern strongly, in particular leading to the emergence of distorted and deformed diffraction fringes in the azimuthal direction. Numerical simulations based on the mode expansion fit well with the experimental results. Keywords: Optical Vortex; Gouy Phase; Optical Orbital Angular Momentum 0 引言 相位在波的衍射动力学行为中起到重要作用。最近，许多研究者把兴趣集中在与光学涡 ，  2]  exp(?jm?)，其中整数 m 代表涡旋光场的拓扑荷数。由于光学涡旋具有这种特殊的角度依 赖相位，它的衍射行为和平面波有所不同[3]。例如，光学涡旋场的衍射条纹是一系列通过图 25 样中心的曲线，并且根据拓扑荷数的正负而表现为从左到右弯曲或从右到左弯曲[3 ，4] ，在轨 [4] 了包括 Arago 点、场的拓扑数和排列之间的关系[5]。Davis 等人发现，挡住一半的位相图样 衍射而得到的部分涡旋场与入射光场相比旋转了 90°，且旋转的方向与全息图的排布有关 [6]  30 35 40 散射出的部分相干涡旋光场的性质也已从理论和实验上进行了研究[8]。 除了螺旋相位和动力学相位 k0z 之外，涡旋光场还具有有另一种相位—Gouy 相位。这 种纵向位相延迟效应源于与光束束腰相关的几何量子效应[9]、不确定性原理[10]、或平均光强 光程和几何光程的光程差[11]。拉盖尔-高斯(LG)光束被部分挡住后可以直接观察到与 Gouy 位相相关的转动现象，而转动的方向和拓扑数的符号有关[12]。共线的离轴 LG 光束的干涉也 可以运用 Gouy 位相进行解释[13]。最近，Gouy 位相在破缺涡旋光场衍射上的若干特性也引 起关注，特别是其在不确定关系上与单缝衍射的类比[14]。 在本文中，我们实验研究了 Gouy 位相对涡旋场的衍射影响。通过用刀口档住涡旋光场， 观察到旋转衍射图样上的扭曲的衍射条纹。它们随着与束腰的距离而变化，并在焦点附近变 化最快。数值模拟证明实验的可靠性。考虑到 LG 模式对于傍轴光束是正交完备基，证明这 种现象的确与 Gouy 位相有关。 基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金（No. 20110031110005） 作者简介：崔海旭，（1975-），女，博士研究生，光学。 通信联系人：陈璟，（1975-），男，教授，光学。E-mail: jchen4@nankai.edu.cn -1-   1 实验设置 实验设置如图 1 所示。光源是 Verdi-V5 激光器。空间光调制器上的叉形衍射光栅用来 产生拓扑数为 m 的光学涡旋。产生的涡旋光场经过一系列的整形，最终被 1000mm 的凸透 镜聚焦。涡旋光场被竖直放置的刀口挡住部分。CCD 为 EC1020，分辨率为 4.65μm × 4.65μm。 45 在刀口和 CCD 之间不加入任何光学器件，以消除可能引入的附加 Gouy 位相的影响。若无 特殊说明，刀口档住一半涡旋场，且和 CCD 的距离保持在 20 mm。 图 1 实验装置图 Fig. 1 The experimental diffraction setup 50 2 实验结果 众所周知，Gouy 相移的单位是 atan(z / zR) ，其中 zR