5  离轴椭圆涡旋光束在均匀介质的传输特性 16

5。1理论推导 16

5。2 数值计算与分析 18

结  论 21

致  谢 22

参 考 文 献 23

1  引言

1。1  背景及意义

涡旋现象是现在大家生活中十分常见的一种现象，比如沙漠中的龙卷风，台风，热带气旋等等，通过对这些现象进行合理的利用，能够对社会生产和日常生活起到非常重要的作用。涡旋现象中涡旋对周围的物体产生一个角向力，引起周围的物体环绕它进行圆周运动。随着科学的发展，技术的进步，人们对涡旋这一现象有了更深层次的认识。而在光学中，有一种光束叫做涡旋光束，也存在这种现象。近几年，涡旋光束也因为它具有的十分重要的应用意义，成为科学家们的钻研的热门内容。论文网

涡旋光束相对于一般的光束来说，具备很多不一样的结构，使其在光学囚禁、光学旋转、非线性光学等领域中起到的很大的作用，有着很重要的意义。应用主要有光学囚禁技术，激光光镊技术在20世纪末有了重大突破，这项技术是使用一束高度聚焦的光束去捕获和控制纳米到微米级别大小的粒子。“光学扳手”用来加工一种具有特定外形构造的微型器件和实现微粒的旋转；对于使用二进制来编码的方式，使用光束的轨道角动量来编码可以十分有效地增加通信的安全性、数据的传输速率以及容量，所以有由于这方面，涡旋光束还被应用于光学通信的领域。

1。2  发展现状

1。3  当前涡旋光束的应用价值

涡旋光束在光学囚禁、光学旋转等领域中起到的很大的作用很重要的意义[[[] 印建平, 刘南春, 夏勇,等。 空心光束的产生及其在现代光学中的应用[J]。 物理学进展, 2004, 24(3):336-380。]]。

(1)涡旋光束在光学囚禁中的应用 

光学囚禁技术是一种用来囚禁十分微小的粒子的技术，可以很形象得被称之为光学镊子。原理是使用强聚焦的Gauss光束在焦点周围生成电场力，这个电场力要求具有很大的梯度，它的方向朝着Gauss光束的焦点，作用在粒子上。而随着专业的学者的更加深入的了解分析，发现了传统意义上的光镊来捕获囚禁粒子还有很多的缺点。 

首先，使用传统意义上的光镊的话就是用强聚焦的Gauss光束照射在微粒，然后会对微粒有一个力的作用，而这个力对微粒作用会分为两个分量：第一个是传统意义上的光镊用Gauss光束对微粒作用产生的电场不是平滑的变化，存在梯度，这样的话，由于这个梯度就会存在一个梯度力分量，而这个梯度力的作用方向指向Gauss光束的焦点；第二个是Gauss光束的对微粒作用的时候，粒子吸收光束的光子，光会进行散射，继而产生一个散射力分量，这个散射力分量对微粒的作用的方向顺沿着光束的传播方向。因为涡旋光束的中心是暗核，不会出现微粒吸收光子而产生的顺眼这光束传输方向的散射力，所以涡旋光束的捕获囚禁微粒的效率比传统意义上的光镊要高很多，而且涡旋光束中心光强为零，没有光束照射在微粒上，所以不会灼伤粒子。

其次，粒子自己具有的折射率和它临近区域的空间的折射率两者共同确立了。所以，传统意义上的使用Gauss光束作为光镊只能束缚住折射率比周围要高微粒。而使用涡旋光束这一新型光束制作光镊，这种方法得到的梯度力在折射率比周围的要低粒子、折射率比周围要高的两种粒子中有不一样的表现。根据线动量守恒定律，这种新型的利用涡旋光束来制作光镊，捕获微粒的方式，涡旋光束把折射率比周围的要低的粒子囚禁在涡旋光束的焦点位置，把折射率比周围要高的粒子囚禁在这个位置的周围邻近区域。在研究分析了这种实验的现象之后，发现使用涡旋光束作为光镊的时候，被囚禁的微粒的平衡位置如图1-1所示。文献综述