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第一章 相位结构电磁波概述1

1.1 简介1

1.2 拉盖尔—高斯光束和轨道角动量1

1.3 贝塞尔和马蒂厄光束5

1.4 波动方程的一般解5

1.5 经典还是量子？6

1.6 用透镜和全息图产生拉盖尔—高斯光束6

1.7 相干性：空间与时间7

1.8 基组间的转换8

1.9 总结9

参考文献9

第二章 光学中的角动量和涡旋13

2.1 简介13

2.2 场和粒子的经典角动量15

2.2.1 粒子和辐射的角动量15

2.2.2 角动量各部分的变化率16

2.3 辐射角动量分解为L和S16

2.3.1 经典描述16

2.3.2 量子运算符17

2.4 多极场及其涡旋结构18

2.4.1 球形多极场18

2.4.2 圆柱形多极场20

2.5 单色傍轴光束的角动量22

2.5.1 傍轴近似22

2.5.2 单色光的角动量23

2.5.3 均一的轨道角动量和自旋角动量24

2.5.4 非均匀偏振25

2.6 傍轴光束的量子描述26

2.6.1 傍轴场的量子运算符26

2.6.2 自旋和轨道角动量的量子运算符27

2.7 非单色傍轴光束28

2.7.1 非单色光束的角动量28

2.7.2 旋转偏振的自旋28

2.7.3 旋转模式图样的轨道角动量29

2.7.4 非均匀偏振旋转的角动量30

2.8 经典傍轴光束的运算符描述31

2.8.1 傍轴光束的Dirac符号31

2.8.2 傍轴光束和量子谐振子32

2.8.3 模式的升降算符34

2.8.4 轨道角动量和Hermite-Laguerre球体35

2.9 光学涡旋动力学36

2.9.1 不变的模式图样36

2.9.2 同方向涡旋的旋转图样37

2.9.3 涡旋的产生和湮灭38

2.10 总结39

参考文献39

第三章 奇点光学及其相位特性42

3.1 基本相位奇点43

3.2 复合涡旋光束46

3.3 非整数涡旋光束48

3.4 传播动力学49

3.5 总结49

致谢50

参考文献50

第四章 纳米光学：粒子间作用力53

4.1 简介53

4.2 光诱导对力的量子电动力学描述54

4.2.1 量子学基础55

4.2.2 几何结构的定义56

4.2.3 斜圆柱对58

4.2.4 共线对60

4.2.5 圆柱体平行对62

4.2.6 球形粒子63

4.2.7 拉盖尔—高斯光束中的球形粒子64

4.3 应用综述65

4.4 讨论67

致谢68

参考文献68

第五章 近场光学微操纵72

5.1 引言72

5.1.1 什么是近场？72

5.1.2 用于近场和引导（初步研究）的光学几何结构73

5.2 近场俘获的理论考量74

5.3 近场中粒子引导和俘获实验76

5.3.1 近场表面引导和俘获76

5.3.2 使用全反射物镜进行俘获81

5.3.3 采用光波导的微操作82

5.4 亟需研究的近场课题84

5.4.1 近场中光力诱导的微粒自组装84

5.4.2 基于先进光子架构的近场俘获85

5.5 结论87

致谢87

参考文献87

第六章 全息光镊91

6.1 简介91

6.2 举例构建光阱扩展阵列的基本原理92

6.3 实验细节93

6.3.1 标准的光学系统93

6.4 全息光阱的算法97

6.4.1 随机掩模编码98

6.4.2 叠加算法99

6.4.3 Gerchberg-Saxton算法100

6.4.4 直接搜索算法和模拟退火法101

6.4.5 总结102

6.4.6 创建扩展光学势能图谱的可替代手段103

6.5 全息光镊的未来105

致谢106

参考文献106

第七章 利用结构光进行原子和分子操纵113

7.1 简介113

7.2 概要114

7.3 轨道角动量向原子和分子的转移114

7.4 多普勒力和扭矩115

7.4.1 基本形式115

7.4.2 瞬态动力学117

7.4.3 稳态动力学119

7.4.4 偶极电位120

7.5 多普勒频移120

7.5.1 轨迹线121

7.5.2 多光束121

7.5.3 二维和三维粘团122

7.6 液晶的旋转效应124

7.7 讨论和总结127

致谢127

参考文献128

第八章 光涡旋俘获及粒子自旋动力学131

8.1 引言131

8.2 光俘获的计算电磁模型131

8.3 电磁角动量133

8.4 傍轴和非傍轴光涡旋中的电磁角动量135

8.5 非傍轴光涡旋137

8.6 涡旋光束俘获141

8.7 对称与光扭矩145

8.8 零角动量光涡旋150

8.9 高斯“纵向”光束涡旋151

8.10 总结153

参考文献153

第九章 光镊下的粒子自旋159

9.1 简介159

9.2 使用光强整形光束来导向和旋转俘获的物体160

9.3 光镊到粒子的角动量传递160

9.4 光镊下的面外自旋162

9.5 光镊中螺旋形粒子的自旋162

9.6 光镊下自旋控制的应用163

第十章 流变方法与粘度测量方法167

10.1 简介167

10.2 光学扭矩测量168

10.2.1 自旋角动量测量168

10.2.2 测量轨道角动量169

10.3 基于旋转光镊的测微粘度计170

10.3.1 基于自旋测微粘度计的实验装置170

10.3.2 结果与分析171

10.3.3 用于微粘度测量的轨道角动量174

10.4 应用176

10.4.1 皮升粘度测量176

10.4.2 医学样品177

10.4.3 流场测量177

10.5 总结179

参考文献179

第十一章 量子通信和量子信息中的轨道角动量182

11.1 量子信息的发送与接收183

11.1.1 纠缠轨道角动量态的产生184

11.1.2 单光子级别轨道角动量量子态探测185

11.1.3 固有安全性（intrinsic security）187

11.2 轨道角动量量子态空间探索187

11.2.1 轨道角动量量子态的叠加态188

11.2.2 纠缠叠加态的产生189

11.2.3 轨道角动量信息的存储191

11.3 量子协议192

11.3.1 高维度的优势192

11.3.2 通信方案193

11.4 总结与展望195

致谢195

参考文献195

第十二章 超冷原子的光学操纵199

12.1 背景199

12.2 光力与原子阱199

12.3 量子气：玻色—爱因斯坦凝聚体202

12.3.1 原子云中的玻色一爱因斯坦凝聚202

12.3.2 凝聚及其描述203

12.3.3 量子气体相位印迹205

12.4 冷原子的光致规范势207

12.4.1 背景207

12.4.2 光场中原子绝热运动的一般形式208

12.5 Λ体系的光致规范势209

12.5.1 概述209

12.5.2 绝热条件211

12.5.3 有效矢量势和俘获势212

12.5.4 携带轨道角动量的同向传播光束212

12.5.5 移动的横向剖面的相向传播光束213

12.6 三脚架型原子的光致规范场215

12.6.1 概述215

12.6.2 S12＝0的情况217

12.7 光致规范势中冷原子的超相对论行为218

12.7.1 引言218

12.7.2 公式表达218

12.7.3 冷原子的准相对论行为219

12.7.4 实验研究220

12.8 结语221

参考文献222

索引226