光學渦旋在等離子體中雷射誘導熒光測速的應用
前言：光學渦旋光束中運動的原子除了通常的縱向多普勒效應外，還會受到方位多普勒效應的影響，這個事實通過使用光學渦旋光束擴充了雷射誘導熒光測速在雷射路徑垂直方向上的測量能力。
通過假設橫穿光束的流體是均勻的，由于共振吸收條件的空間依賴性，雷射誘導熒光的光譜将發生變形，在等離子體中的一個負偏壓電極附近，對亞穩态的氩離子進行了初步實驗，當電極施加負電壓時，觀察到光譜标準偏差的增加，這與之前的數值研究定性地一緻。
雷射誘導熒光和雷射吸收光譜，是一種強大的非入侵性等離子體診斷工具，廣泛應用于從磁限制聚變等離子體到工業等離子體應用研究。TEM00模式是一種平面波狀的高斯光束，也是雷射腔的本征模式，被用于這些測量中。
光學渦旋是具有特征相位結構并攜帶軌道角動量的光傳播模式，由于光學渦旋具有軌道角動量，它們可以對微粒子施加扭矩，進而導緻了一些應用，例如通過光鑷控制微粒子旋轉，和通過雷射消
融形成螺旋納米針狀結構，據作者所知，還沒有多少例子是利用光學渦旋進行等離子體測量的。
将光學渦旋應用于等離子體流動測量，LIF方法通常使用窄帶可調諧雷射，來測量等離子體中離子和中性粒子的流動，在LIF方法中，原子被雷射束激發，其波長與兩個能級之間的能量差相對應，然後測量由去激發時發射的光。
通過在共振吸收波長周圍掃描雷射波長，可以獲得LIF光譜，使用類似平面波的光束進行的LIF測量，原則上是一維測量，因為它是基于縱向多普勒效應。當在z方向傳播的雷射光波矢量為k，原子的速度矢量為V時，共振吸收頻率的多普勒頻移𝛿𝛿由𝛿𝛿 = −k ∙ V = −𝑘𝑘𝑉𝑉𝑧𝑧給出。
這個方程表明垂直于傳播方向的流動對LIF光譜的頻移沒有貢獻。盡管這種一維性有利于簡化LIF光譜的分析，但缺點是限制了從光譜中擷取的資訊。将雷射光線的傳播模式從TEM00模式改變為拉蓋爾-高斯模式，即光學渦旋，來擴充LIF方法的能力。
拉蓋爾模式是自由空間中在軸近似條件下的圓柱對稱解，是亥姆霍茲方程的解。它們在與傳播方向垂直的橫截面上以方位方向上的相位變化為特征。光學渦旋的強度分布呈甜甜圈狀，因為其光軸是一個相位奇點。當相位在奇點周圍的一周變化為2πl時，l被稱為拓撲電荷，是表征相位結構的整數。
由于共振吸收條件的空間依賴性，預計LIF光譜将發生變形，LIF光譜是光束橫截面上小段的LIF信号貢獻的積分， LIF信号強度與每一點的共振吸收機率和雷射強度的乘積成正比。假設分布函數為Maxwell分布，并考慮拉蓋爾光束的多普勒頻移對速度空間進行積分。
ILIF表示光束橫截面上位置（r，𝜙𝜙）處的LIF強度，w是代表最低階模式斑點大小的特征長度，Vt是熱速度，Ux是x方向的均勻流動速度。通過數值積分，可以得到實驗中觀察到的LIF光譜，盡管積分丢失了流動方向的資訊，但是與使用類似平面波的光束的LIF方法，無法獲得的垂直于光束路徑的流速大小被包括在内。
結語：數值結果表明，對于大約10 km/s的快速流動，使用具有小斑點大小（通常在10微米左右）和大拓撲電荷（l = 10或更多）的LG光束會導緻LIF光譜的顯著變形。這種變形是由于方位多普勒頻移引起的譜線增寬的增加，并可以通過與二階矩相對應的标準偏差來評估。
一個直徑為30厘米、長度為200厘米的圓柱形真空室被十個磁場線圈包圍，形成一個磁性灘型磁場配置。通過從高場側向等離子體注入右旋圓極化的2.45 GHz微波來産生電子回旋共振（ECR）等離子體。在本實驗中，等離子體在3.0 mTorr的氩氣壓力和8 kW的微波功率下産生。
等離子體放電持續時間為45秒，典型的電子密度和電子溫度分别為1012 cm^-3和4 eV，2.45 GHz的微波通過連接配接有石英窗的錐形波導注入。在真空室中部産生電子回旋波，并在真空室中心的ECR區域完全吸收。
一個直徑為50毫米的SUS圓盤電極放置在裝置中心，距離微波注入視窗117.5厘米。可以通過對該電極施加負電壓來加速離子。拉蓋爾光束被對準，以便它在電極附近的非常接近的位置通過，并通過安裝在裝置上方的接收光學裝置觀察LIF。
為了避免塞曼分裂，拉蓋爾光束的偏振被設定為與磁力線平行的線性偏振。值得指出的是，由于光的軌道角動量與偏振相關的自旋角動量是不同的自由度，是以拉蓋爾光束的偏振可以自由選擇。由于雷射的基本橫模是TEM00，是以需要通過某種方法将傳播模式轉換為LG模式，以在實驗室中實作使用光學渦旋光束的LIF測量。
