内容简介
     基于近来在制造具有复杂结构光束以及对物质进行非接触型光学操控领域的新进展,《现代光子学系列译丛:结构光及其应用》详细介绍了该领域的新理论、新方法及新应用。详尽讨论了一些独特光束的特性,例如光学漩涡和其他的波前结构,相关的相位性质和光子性质,以及从冷却原子操控到光学操控微机械领域的应用。
  《现代光子学系列译丛:结构光及其应用》内容相关学科背景主要是纳米光子学领域。
  因此《现代光子学系列译丛:结构光及其应用》适用于物理、电子和光学专业的高年级本科生、研究生和纳米光子学领域研究人员。     
作者简介
     张彤,东南大学电子科学与工程学院教授,博士生导师。主要研究领域包括等离激元学、纳米光子学、微纳光电集成器件及系统、光学惯性传感器件技术等领域。2007年3月至2008年2月作为“华英学者”前往美国哈佛大学应用科学学院(SEAS)纳米光子学实验室访问学习一年,期间主要从事等离激元学方面的研究工作。是国内较早开展表面等离激元研究的学者之一,并在该领域取得了较为丰富的研究成果。围绕金属表面等离激元波导的亚波长光传输特性,高局域光强密度特性等,提出了多种具有显著创新意义的新器件和新波导结构,在金属纳米光学材料及薄膜的可控制备和光学特性方面开展了众多研究。报道了多种纳米材料合成技术,如纳米树枝、纳米链等,研究了金属等离激元功能薄膜的化学自组装制备技术,并应用在光伏、光学传感等领域。研究成果发表在国际光子学领域的高水平学术期刊上,并多次被国际同行引用和评价。先后承担国家自然科学基金项目、教育部博士点基金项目、国防创新项目、国防预先研究项目、预研基金项目、国防863项目等共20余项科研项目。发表论文50余篇,其中包括ACS Nano、Scientific Reports、optics Express、Applied Physics Letters等知名期刊论文,授权美国发明专利4项,授权中国发明专利25项,授权中国实用新型专利近10项。     
内页插图
          目录
   原版作者所属机构
前言
第一章 相位结构电磁波概述
1.1 简介
1.2 拉盖尔一高斯光束和轨道角动量
1.3 贝塞尔和马蒂厄光束
1.4 波动方程的一般解
1.5 经典还是量子?
1.6 用透镜和全息图产生拉盖尔一高斯光束
1.7 相干性:空间与时间
1.8 基组间的转换
1.9 总结
参考文献
第二章 光学中的角动量和涡旋
2.1 简介
2.2 场和粒子的经典角动量
2.2.1 粒子和辐射的角动量
2.2.2 角动量各部分的变化率
2.3 辐射角动量分解为L和S
2.3.1 经典描述
2.3.2 量子运算符
2.4 多极场及其涡旋结构
2.4.1 球形多极场
2.4.2 圆柱形多极场
2.5 单色傍轴光束的角动量
2.5.1 傍轴近似
2.5.2 单色光的角动量
2.5.3 均一的轨道角动量和自旋角动量
2.5.4 非均匀偏振
2.6 傍轴光束的量子描述
2.6.1 傍轴场的量子运算符
2.6.2 自旋和轨道角动量的量子运算符
2.7 非单色傍轴光束
2.7.1 非单色光束的角动量
2.7.2 旋转偏振的自旋
2.7.3 旋转模式图样的轨道角动量
2.7.4 非均匀偏振旋转的角动量
2.8 经典傍轴光束的运算符描述
2.8.1 傍轴光束的Dirac符号
2.8.2 傍轴光束和量子谐振子
2.8.3 模式的升降算符
2.8.4 轨道角动量和Hermite-Laguerre球体
2.9 光学涡旋动力学
2.9.1 不变的模式图样
2.9.2 同方向涡旋的旋转图样
2.9.3 涡旋的产生和湮灭
2.10 总结
参考文献
第三章 奇点光学及其相位特性
3.1 基本相位奇点
3.2 复合涡旋光束
3.3 非整数涡旋光束
3.4 传播动力学
3.5 总结
致谢
参考文献
第四章 纳米光学:粒子间作用力
4.1 简介
4.2 光诱导对力的量子电动力学描述
4.2.1 量子学基础
4.2.2 几何结构的定义
4.2.3 斜圆柱对
4.2.4 共线对
4.2.5 圆柱体平行对
4.2.6 球形粒子
4.2.7 拉盖尔一高斯光束中的球形粒子
4.3 应用综述
4.4 讨论
致谢
参考文献
第五章 近场光学微操纵
5.1 引言
5.1.1 什么是近场?
5.1.2 用于近场和引导(初步研究)的岁
5.2 近场俘获的理论考量
5.3 近场中粒子引导和俘获实验
5.3.1 近场表面引导和俘获
5.3.2 使用全反射物镜进行俘获
5.3.3 采用光波导的微操作
5.4 亟需研究的近场课题
5.4.1 近场中光力诱导的微粒自组装
5.4.2 基于先进光子架构的近场俘获
5.5 结论
致谢
参考文献
第六章 全息光镊
6.1 简介
6.2 举例构建光阱扩展阵列的基本原理
6.3 实验细节
6.3.1 标准的光学系统
6.4 全息光阱的算法
6.4.1 随机掩模编码
6.4.2 叠加算法
6.4.3 Gerchberg-saxton算法
6.4.4 直接搜索算法和模拟退火法
6.4.5 总结
6.4.6 创建扩展光学势能图谱的可替代手段
6.5 全息光镊的未来
致谢
参考文献
第七章 利用结构光进行原子和分子操纵
7.1 简介
7.2 概要
7.3 轨道角动量向原子和分子的转移
7.4 多普勒力和扭矩
7.4.1 基本形式
7.4.2 瞬态动力学
7.4.3 稳态动力学
7.4.4 偶极电位
7.5 多普勒频移
7.5.1 轨迹线
7.5.2 多光束
7.5.3 二维和三维粘团
7.6 液晶的旋转效应
7.7 讨论和总结
致谢
参考文献
第八章 光涡旋俘获及粒子自旋动力学
8.1 引言
8.2 光俘获的计算电磁模型
8.3 电磁角动量
8.4 傍轴和非傍轴光涡旋中的电磁角动量
8.5 非傍轴光涡旋
8.6 涡旋光束俘获
8.7 对称与光扭矩
8.8 零角动量光涡旋
8.9 高斯“纵向”光束涡旋
8.10 总结
参考文献
第九章 光镊下的粒子自旋
9.1 简介
9.2 使用光强整形光束来导向和旋转俘获的物体
9.3 光镊到粒子的角动量传递
9.4 光镊下的面外自旋
9.5 光镊中螺旋形粒子的自旋
9.6 光镊下自旋控制的应用
第十章 流变方法与粘度测量方法
10.1 简介
10.2 光学扭矩测量
10.2.1 自旋角动量测量
10.2.2 测量轨道角动量
10.3 基于旋转光镊的测微粘度计
10.3.1 基于自旋测微粘度计的实验装置
10.3.2 结果与分析
10.3.3 用于微粘度测量的轨道角动量
10.4 应用
10.4.1 皮升粘度测量
10.4.2 医学样品
10.4.3 流场测量
1O.5 总结
参考文献
第十一章 量子通信和量子信息中的轨道角动量
11.1 量子信息的发送与接收
11.1.1 纠缠轨道角动量态的产生
11.1.2 单光子级别轨道角动量量子态探测
11.1.3 固有安全性(intrinsic security)
11.2 轨道角动量量子态空间探索
11.2.1 轨道角动量量子态的叠加态
11.2.2 纠缠叠加态的产生
11.2.3 轨道角动量信息的存储
11.3 量子协议
11.3.1 高维度的优势
11.3.2 通信方案
11.4 总结与展望
致谢
参考文献
第十二章 超冷原子的光学操纵
12.1 背景
12.2 光力与原子阱
12.3 量子气:玻色一爱因斯坦凝聚体
12.3.1 原子云中的玻色爱因斯坦凝聚
12.3.2 凝聚及其描述
12.3.3 量子气体相位印迹
12.4 冷原子的光致规范势
12.4.1 背景
12.4.2 光场中原子绝热运动的一般形式
12.5 A体系的光致规范势
12.5.1 概述
12.5.2 绝热条件
12.5.3 有效矢量势和俘获势
12.5.4 携带轨道角动量的同向传播光束
12.5.5 移动的横向剖面的相向传播光束
12.6 三脚架型原子的光致规范场
12.6.1 概述
12.6.2 S12-0的情况
12.7 光致规范势中冷原子的超相对论行为
12.7.1 引言
12.7.2 公式表达
12.7.3 冷原子的准相对论行为
12.7.4 实验研究
12.8 结语
参考文献
索引      
前言/序言
     人们对光的求索可追溯至公元前,众多研究者们耗费毕生精力探索光的本质。十七世纪末,惠更斯、胡克和牛顿等人分别试图从波动和粒子的角度对光进行阐释。至十九世纪中叶,麦克斯韦和赫兹确立了光的电磁假说,人们认识到光是电磁波。随后,光学研究深入到光的产生及光与物质相互作用的微观机制,爱因斯坦在普朗克量子假说的基础上提出光子概念,阐述了光的波粒二象性。人们从此意识到光子具有质量、能量及动量,对光的本质的认识达到了前所未有的新高度。在此之后,光子学的发展不断加速。二十多年前,艾伦等人证明了光子可携带离散的轨道角动量,它与光子的自旋角动量相对应,揭示了光除频率、偏振之外的另一种自由度,使光子学焕然一新。
  光的轨道角动量赋予了光束特殊的空间结构,催生出一系列交叉学科应用领域:从生物细胞俘获及分离到冷原子操纵,从超高分辨率显微成像到近场光学微操纵,从新型传感和精密探测到量子通信。这些新兴的研究领域在近年来不断拓展,愈发活跃。
  《结构光及其应用》正是一部深入阐述光的轨道角动量的权威著作。它全新地诠释了“结构光学”这一研究领域,并详细地介绍了该领域的研究方向和应用前景。本书从光的电磁场及量子理论出发,阐述了光的相位结构、角动量、涡旋等,在此基础上系统分析了结构光与物质相互作用的动力学原理及其在微操纵领域的应用,并进一步介绍了光子轨道角动量在生物微流变、量子通信领域及冷原子操纵领域中的研究现状。
  值得注意的是,近年来基于表面等离激元的研究发展迅猛,表面等离激元作为一种光与电子的共振模式,突破了传统光学衍射极限,相关研究将光子学研究引入了亚波长时代。人们通过设计金属结构,形成了二维超材料,实现了对光场在近场和远场区域的调控,逐步获得了微纳尺度光学功能元件。但是,固定的微纳光学功能元件只具有单一的光学功能,无法实现光场的动态调节。而结构光学的存在,恰巧弥补了这一不足。入射光场携带的振幅、相位和偏振等信息为等离激元场分布的调控提供了新的自由度,从而使单一的微纳元件也能实现高度可控地调节,为未来实现集成化与小型化的光信息器件及功能化回路提供了新的思路。等离激元学与结构光学在近场光学微操纵、量子信息等新兴应用领域交集很多,是目前光学研究领域最前沿的发展方向,相互之间的理论联系也非常紧密。该系列译著丛书的前两本——《表面等离激元纳米光子学》和《等离激元学——基础与应用》系统地介绍了等离激元学这一光学前沿方向的相关理论和应用研究。现在,我们把这本《结构光及其应用》献给读者,真诚地希望本书能为研究者们提供有价值的参考,并对相关领域的研究人员给予启发,进一步拓展和深入结构光的科学研究及其在物理学、生物学和医学等交叉领域中的应用。相信结构光学与等离激元学的结合能够使得亚波长的光学研究更加丰富,这也是我们共同努力的目标。最后借此对在翻译过程中付出大量辛勤劳动的老师和研究生们表示由衷的谢意。    
				
 
				
				
					光之舞动:探索结构光如何重塑感知与操控  光,作为宇宙中最 fundamental 的信息载体之一,其奥秘远不止于传递色彩和亮度。长期以来,我们习以为常的光束,如激光器发出的同质光,在许多基础科学和工程应用中扮演着至关重要的角色。然而,随着科学技术的飞速发展,科学家们正以前所未有的深度和广度,探索并驾驭光束的内在结构,赋予光以全新的“智能”与“能力”。  “结构光”的出现,正是这一探索的结晶。它不再是简单意义上的一束光,而是经过精心设计,在振幅、相位、偏振等光学属性上呈现出特定空间分布的光场。这种“结构”赋予了光束超乎寻常的性质,使其能够以高度可控的方式与物质相互作用,从而在微观世界与宏观领域掀起一场深刻的变革。  本书正是围绕结构光这一前沿领域展开的深度介绍。它将带领读者,从理解光的基本性质出发,逐步深入到结构光的奇妙世界。我们将一起探索不同类型的结构光,例如那些具有“光涡旋”的奇特光束,它们如同微型龙卷风,在光束中心携带一个“螺旋相位”,能够传递角动量,甚至能够“抓住”并旋转微小粒子。我们还将解析那些在横截面上呈现出特定图案的光束,如同激光雕刻师手中的刻刀,能够将能量精确地传递到预设的区域。  结构光的魅力,首先体现在其非凡的“操控”能力。试想一下,我们能否利用光来“搬运”原子,精确地组装纳米级的器件?又或者,能否利用光来“捕获”并检测单个细菌,实现超灵敏的生物传感?结构光,特别是那些携带轨道角动量的光涡旋,已经为这些看似科幻的场景提供了实现的可能。它们能够通过光压,将微观粒子束缚在特定的位置,甚至以精确的方向进行传递。这种“光学镊子”技术,在量子信息处理、精密测量、生物医学成像等领域,正展现出无限的潜力。  除了对物质的直接操控,结构光在“成像”领域同样带来了革命性的突破。传统的显微镜受限于光的衍射极限,难以清晰地分辨出微米甚至纳米尺度的精细结构。而结构光,通过其特殊的空间分布,能够巧妙地规避这一限制,实现超分辨成像。例如,利用“受激减射耗损”(STED)显微镜,通过结构光精确地“熄灭”了样品边缘的发光,从而将成像分辨率推向了前所未有的高度,让我们得以窥见细胞内部的精妙结构,甚至分子层面的动态过程。  更进一步,结构光还在“信息编码与传输”方面开辟了新的途径。光是信息传输的天然载体,而结构光的光场结构,本身就蕴含着丰富的携带信息的能力。通过调制光束的相位、偏振甚至空间模式,我们可以编码比传统光通信更大量的信息,极大地提升数据传输的速率和效率。这对于未来的高速网络、量子通信等领域,具有重要的战略意义。  本书的另一个核心关注点,便是结构光在“纳米尺度”上的应用。当光的波长与物质的尺寸接近时,宏观的光学原理将发生微妙的改变,而结构光在此背景下,将展现出更加奇异和强大的能力。例如,利用纳米结构去“塑造”光场,或者利用结构光去“激发”纳米材料的特定响应,这为纳米光子学、表面等离激元学等新兴学科的发展,提供了源源不断的动力。我们将深入探讨如何利用结构光实现对纳米粒子的精确操控、如何利用结构光制造具有特殊光学性质的纳米器件,以及如何利用结构光来探测和理解纳米尺度的物理化学过程。  “纳米尺度光学力”是本书中一个尤为引人注目的章节。这涉及到光与物质在能量极低的尺度上的相互作用。我们不再仅仅考虑光对宏观物体的推力,而是深入到光子与电子、光子与原子之间的量子力学层面的相互作用。通过精确设计和操控光场,我们可以实现对纳米结构、甚至单个分子的“微调”,这为未来的纳米制造、纳米机器人的开发,奠定了理论和技术基础。  本书的叙述风格,力求严谨而不失趣味,既有扎实的理论基础,又不乏生动的实例讲解。我们将从基础的光学原理出发,逐步过渡到复杂的结构光生成方法,包括但不限于使用空间光调制器(SLM)、衍射光学元件(DOE)以及量子点等新型材料。随后,我们将深入探讨各类结构光在不同领域内的具体应用,例如:     精密测量与传感: 利用光涡旋的光压特性,实现对微弱力、微小位移的超高精度测量;利用结构光场的光学指纹,实现对样品成分和结构的快速无损检测。    生物医学: 通过结构光实现细胞、病毒等微观生物体的无标记成像与活体追踪;利用光学镊子对单个细胞进行分离、培养和操控,为干细胞研究、药物筛选提供强大工具。    量子技术: 利用结构光制备和操控量子态,例如利用光涡旋实现对单光子角动量的编码与读取,为量子信息处理和量子通信奠定基础。    材料科学与制造: 利用结构光精确控制光场能量分布,实现对材料的纳米加工、3D打印,制造具有特定光学响应的新型材料。    光学通信: 探索利用结构光携带多路信息,实现更高容量、更安全的下一代光通信系统。  本书的读者对象,涵盖了对光科学与技术感兴趣的研究生、博士后、工程师以及相关专业的本科生。我们假设读者具备一定的光学基础知识,但并不要求读者对结构光已有深入了解。本书的目标是,让每一位读者在阅读之后,能够深刻理解结构光的原理,掌握其主要的生成方法,并能够初步了解其在各个领域的应用前景,甚至激发读者在结构光领域进行进一步的探索和研究。  光,不止是可见的现象,更是可以被精心雕琢的工具。结构光,正是这一理念的生动体现。它正在以前所未有的方式,拓展我们对光的认知边界,并为科学研究和技术应用开辟出全新的、激动人心的方向。通过本书,我们希望能够点燃您对结构光世界的探索热情,与您一同见证光之舞动如何重塑我们的感知与操控能力,为未来的科技发展注入新的活力。