涡旋光束中的非衍射偏振特性

自旋角动量与光束偏振特性相关，早已为人所知，并被广泛应用于材料计量、手性分子检测和量子光学等领域。涡旋光束及其应用也是近年来国内外研究的热点之一，在生物医学、光通信、测量等许多领域都有十分重要的应用，带有偏振态分布的涡旋光束还可用于激光加工和材料处理等。然而，涡旋光束的复杂特性仍有待科学家们探索。

近日，美国乔治华盛顿大学的Andrei Afanasev与英国伦敦国王学院的Anatoly V. Zayats教授课题组合作，通过理论分析和模拟证明涡旋光束的某些偏振特征保持恒定的横向空间维度，与光束衍射无关。这些极化特征出现在相位奇点附近，并与纵向电场的存在有关。相关研究以“Non-Diffractive 3D Polarisation Features of Optical Vortex Beams”为题发表在 Advanced Photonics Nexus第2卷第2期。

研究证明了光学涡旋光束部分偏振特征的横向尺寸是独立于光束衍射存在，并且该效应的产生是由于矢量涡旋中纵向和横向电磁场的相互作用导致了光束横截面的相位奇异性。研究人员采用了涡旋光束的傍轴简化解析模型和非傍轴场数值模拟两种方法，剖析了涡旋光束三维偏振中的非衍射行为。需要非常注意的是，涡旋光束的纵向场不可忽略，否则会影响模拟研究的准确性。

（1）线性偏振涡旋光束：

线性偏振涡旋光束(l = 1)沿z轴不同位置的p_zz参数的截面如图2(a)所示。当p_zz = 0时，可以直观的观察到旋涡光附近的非衍射行为(水平虚线所示)，而在在远离光束中心且p_zz = 0时，偏振特性受到了衍射的很大干扰；如图2(b)所示，在非衍射偏振特征所在相同截面平面上的归一化电场强度(由垂直虚线表示)为焦平面峰值强度的37%，为z = 5λ处为峰值强度的2.8%。

（2）圆偏振涡旋光束：

圆偏振涡旋光束的等效偏振特性如图3所示。图3(a-d)和图3(e-h)分别表示w₀ =λ和w₀ =2λ的圆偏振涡旋光束的强度(除σ = -1时)。偏振参数结果显示，w₀ =λ的圆偏振涡旋光束具有非发散的偏振特性(图3(b-d))；w₀ =2λ且聚焦较弱的涡旋光束，在相位奇异点附近的非衍射偏振特性也保持不变(图3(f-h))。以上结果表明：圆偏振涡旋光束相位奇异点附近也具有非衍射的偏振特性，并且也与束腰的宽窄无关。

（3）数值孔径和实验缺陷对涡旋光束非衍射三维偏振特性的影响：

图4a所示为线性偏振涡旋光束的角频谱，相当于光束的后焦平面图像，相位奇点在k_x = k_y = 0处清晰可见；图4b绿线环绕区域表示对线性偏振涡旋光束(束腰为w₀)的场分布进行积分，所得到的光束强度分布，红色虚线表示将NA限制为0.5后的光束的强度分布；与理想光束相比，图4c中受限光束的偏振参数在相位奇异点附近显示出相同的非衍射特性，并且只能观察到外围场的扰动。通过改变NA可以发现，尽管束腰发生了展宽，但相位奇点附近仍呈现出非衍射特性。