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S 16
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