完美光学涡旋的自由空间演化特性及其拓扑电荷干涉检测研究

本研究针对完美光学涡旋（POV）光束拓扑电荷（TC）检测难题，通过改进马赫-曾德尔干涉装置实现了TC精准识别，并首次揭示POV在自由空间传播中会自然演化为贝塞尔-高斯（BG）光束的规律。该发现为光学操控、通信等领域提供了新见解，相关成果发表于《Optics and Lasers in Engineering》。

　　

在光场调控领域，光学涡旋因其携带轨道角动量（OAM）的特性成为研究热点。这类光束具有螺旋状波前结构，其相位分布可表示为e^imφ，其中拓扑电荷（TC）m决定了每个光子携带的OAM值（L=±m?）。传统光学涡旋存在环形光强分布随TC变化的缺陷，而完美光学涡旋（POV）通过保持与TC无关的稳定环状光强分布，在光学捕获、通信等领域展现出独特优势。然而，POV的TC检测方法缺乏系统性研究，且其传播过程中的演化机制尚不明确。

针对这些问题，SRM大学AP校区的研究团队通过实验生成不同TC阶数的POV光束，提出改进型马赫-曾德尔干涉装置（MZIA）实现TC精确测量。研究发现POV在自由空间传播时会自发演变为贝塞尔-高斯（BG）光束，这一过程分为抗衍射阶段（稳定单环结构）和自聚焦阶段（出现TC依赖的内环）。研究通过分析干涉图案传播特性和对比BG光束的自修复能力验证了该演化规律，相关成果发表于《Optics and Lasers in Engineering》。

关键技术包括：1）利用空间光调制器（SLM）生成POV光束；2）改进型MZIA干涉系统构建；3）基于菲涅尔衍射积分的传播特性理论建模；4）障碍物遮挡实验验证自修复特性。

主要研究结果

1. POV生成与TC检测
   通过Bessel-Gaussian（BG）光束傅里叶变换产生POV，其电场分布满足E_BG(ρ,?)=J_l(k_rρ)exp(imφ)exp(-ρ²/w_g²)。改进的MZIA通过螺旋状干涉条纹实现TC值和手性判定。

2. 传播演化规律
   菲涅尔衍射分析表明，POV传播时遵循E_PV(r₂,θ₂,z)=(k/i2πz)exp(ikz)∫∫E_PV(r₁,θ₁)r₁dr₁dθ₁×exp[ik(r₁²+r₂²)/2z]的演化方程，最终转变为BG光束。

3. 部分遮挡TC检测
   垂直遮挡的POV经传播后形成花瓣状干涉图，通过螺旋条纹计数仍可准确测定TC，证实其具有与BG光束相似的自修复能力。

结论与意义
该研究首次阐明POV向BG光束的演化机制，建立的TC检测方法克服了传统技术对完整光场的依赖。Aswathi K Sivarajan等通过理论推导和实验验证，证明演化后的POV保持BG光束的关键特性（如自聚焦和自修复），为光学微操纵、高维通信等应用提供了新思路。研究获得印度ANRF基金（SUR/2022/000910）支持，相关技术有望拓展至微粒操控、成像系统优化等领域。