论文摘要
光镊（optical tweezers）在问世之初被看作是微小宏观粒子的操控手段,1986年,以Ashkin为首的美国Bell实验室首先实现了强聚焦激光束对微米尺寸的玻璃球进行捕获和三维操纵,同时将光镊技术用于生命科学的研究。光镊非接触式操控的特点,打开了无损地研究活细胞的方便之门。在纳米科技和生命科学迅速发展的21世纪,作为这两个领域得力工具的光镊技术必将具有广阔的应用前景,成为本领域科学研究不可或缺的技术手段之一。光镊技术的初步发展已极大地推进了生命科学的发展,加速了人类认识生命奥秘的步伐。但作为一门新兴技术,其技术局限性是显而易见的,传统光镊只能束缚高折射率粒子,而以提高激光功率来增大势阱力,又会损伤活体粒子。然而涡旋光束中间光强为零,不会对活体粒子造成损伤,且能束缚高、低折射率粒子。“涡旋光镊”的产生成为了光镊技术发展过程中的一个重大突破。光学涡旋（Optical Vortices,OV）,也称为一个螺型位错或相位的奇异。在光学涡旋中,光波的相位绕着光轴被扭曲成螺旋结构（含相位因子exp（ilφ））,正因为这样的扭曲,使得光波在轴上相互抵消,呈现为一个中心为暗核的光圆环。Allen发现具有螺旋相位波前结构的光束每个光子携带l的轨道角动量（orbital angular momentum,OAM）,从此光束的轨道角动量开始逐渐得到广泛的重视和研究,并在激光生物、信息传输及处理上显示出其潜在的优势。光学涡旋可以用作“光学镊子”操纵微米尺寸的粒子,比如细胞,也可以作为“光学扳手”,通过光与物质的相互作用将携带的轨道角动量传递给微粒使其发生旋转。光学涡旋理论上有无穷多的状态,因为它们的拓扑荷数不存在限制,因此,利用光学涡旋可以进行更高带宽的信息通信,为加密技术的发展提供了新的研究方向。目前,产生光学涡旋的方法有:激光器直接产生、螺旋相位板法（spiral phase plates,SPPs）、计算产生全息法（computer-generated holograms,CGH）、模式转化器（mode converter）以及空间光调制器（spatial light modulator）等。拉盖尔-高斯光束（Laguerre-Gaussian,LG）是涡旋光束中最典型的一种,本文主要基于计算产生全息法,研究通过多种方法制作叉型衍射光栅产生LG光束。第二章介绍了高斯光束、拉盖尔-高斯光束的相关理论,着重阐述了拉盖尔-高斯光束具有螺旋相位波前结构和携带特定轨道角动量的特性,以及其在光镊中的应用前景（涡旋光镊）。第三章首先介绍了CGH衍射光栅的制作和通过此光栅产生LG光束的基本原理;然后在实验上通过打印透明胶片法,全息成像法以及基于激光烧蚀的刻蚀金镜法制作CGH光栅。打印透明胶片方法简单,但分辨率较低,由于受到胶片损伤阈值低的限制,通过这种方法获得的CGH光栅不适用于超强激光脉冲;基于全息干板制作的CGH光栅具有很高的分辨率,但是同样也无法承受高能量的飞秒激光脉冲;而通过激光烧蚀方法制作的CGH光栅虽然具有较高的损伤阈值（高达1012W/cm2）,但是存在分辨率低和光栅槽粗糙的缺点,导致只能产生模式较为糟糕的LG光束。为了克服以上光栅制作方法存在的缺点,我们将采用一种新的方法制作CGH光栅。论文的第四章,也是我们的工作重点,基于光刻技术制作高质量的振幅型CGH光栅,这样的光栅具有分辨率高（高达100线/毫米）、损伤阈值高（可承受几百GW/cm2的光功率）、平滑度好（sub-μm量级的粗糙度）的特点,能够产生模式完美的拉盖尔-高斯光束,接着将其用于飞秒激光脉冲,产生了高能量的飞秒光学涡旋;由于振幅型CGH光栅的衍射效率较低（不超过8%）,为了提高光栅的衍射效率,我们结合光刻与湿法刻蚀技术,在振幅型CGH光栅的基础上,进一步将玻璃腐蚀一定深度,制作成矩形槽型的相位型CGH光栅,探究了入射角对光栅衍射效率的影响关系,从而大大提高了光栅衍射效率（最高可达35%）。通过上述光刻技术制作的高质量CGH光栅可以用于产生高能量的飞秒光学涡旋,为研究飞秒涡旋光束在“涡旋光镊”、大气远程传感等方面的应用,提供了强有力的工具。