光学涡旋在等离子体中激光诱导荧光测速的应用
前言：光学涡旋光束中运动的原子除了通常的纵向多普勒效应外，还会受到方位多普勒效应的影响，这个事实通过使用光学涡旋光束扩展了激光诱导荧光测速在激光路径垂直方向上的测量能力。
通过假设横穿光束的流体是均匀的，由于共振吸收条件的空间依赖性，激光诱导荧光的光谱将发生变形，在等离子体中的一个负偏压电极附近，对亚稳态的氩离子进行了初步实验，当电极施加负电压时，观察到光谱标准偏差的增加，这与之前的数值研究定性地一致。
激光诱导荧光和激光吸收光谱，是一种强大的非入侵性等离子体诊断工具，广泛应用于从磁约束聚变等离子体到工业等离子体应用研究。TEM00模式是一种平面波状的高斯光束，也是激光腔的本征模式，被用于这些测量中。
光学涡旋是具有特征相位结构并携带轨道角动量的光传播模式，由于光学涡旋具有轨道角动量，它们可以对微粒子施加扭矩，从而导致了一些应用，例如通过光镊控制微粒子旋转，和通过激光消
融形成螺旋纳米针状结构，据作者所知，还没有多少例子是利用光学涡旋进行等离子体测量的。
将光学涡旋应用于等离子体流动测量，LIF方法通常使用窄带可调谐激光，来测量等离子体中离子和中性粒子的流动，在LIF方法中，原子被激光束激发，其波长与两个能级之间的能量差相对应，然后测量由去激发时发射的光。
通过在共振吸收波长周围扫描激光波长，可以获得LIF光谱，使用类似平面波的光束进行的LIF测量，原则上是一维测量，因为它是基于纵向多普勒效应。当在z方向传播的激光光波矢量为k，原子的速度矢量为V时，共振吸收频率的多普勒频移𝛿𝛿由𝛿𝛿 = −k ∙ V = −𝑘𝑘𝑉𝑉𝑧𝑧给出。
这个方程表明垂直于传播方向的流动对LIF光谱的频移没有贡献。尽管这种一维性有利于简化LIF光谱的分析，但缺点是限制了从光谱中获取的信息。将激光光线的传播模式从TEM00模式改变为拉盖尔-高斯模式，即光学涡旋，来扩展LIF方法的能力。
拉盖尔模式是自由空间中在轴近似条件下的圆柱对称解，是亥姆霍兹方程的解。它们在与传播方向垂直的横截面上以方位方向上的相位变化为特征。光学涡旋的强度分布呈甜甜圈状，因为其光轴是一个相位奇点。当相位在奇点周围的一周变化为2πl时，l被称为拓扑电荷，是表征相位结构的整数。
由于共振吸收条件的空间依赖性，预计LIF光谱将发生变形，LIF光谱是光束横截面上小段的LIF信号贡献的积分， LIF信号强度与每一点的共振吸收概率和激光强度的乘积成正比。假设分布函数为Maxwell分布，并考虑拉盖尔光束的多普勒频移对速度空间进行积分。
ILIF表示光束横截面上位置（r，𝜙𝜙）处的LIF强度，w是代表最低阶模式斑点大小的特征长度，Vt是热速度，Ux是x方向的均匀流动速度。通过数值积分，可以得到实验中观察到的LIF光谱，尽管积分丢失了流动方向的信息，但是与使用类似平面波的光束的LIF方法，无法获得的垂直于光束路径的流速大小被包括在内。
结语：数值结果表明，对于大约10 km/s的快速流动，使用具有小斑点大小（通常在10微米左右）和大拓扑电荷（l = 10或更多）的LG光束会导致LIF光谱的显著变形。这种变形是由于方位多普勒频移引起的谱线增宽的增加，并可以通过与二阶矩相对应的标准偏差来评估。
一个直径为30厘米、长度为200厘米的圆柱形真空室被十个磁场线圈包围，形成一个磁性滩型磁场配置。通过从高场侧向等离子体注入右旋圆极化的2.45 GHz微波来产生电子回旋共振（ECR）等离子体。在本实验中，等离子体在3.0 mTorr的氩气压力和8 kW的微波功率下产生。
等离子体放电持续时间为45秒，典型的电子密度和电子温度分别为1012 cm^-3和4 eV，2.45 GHz的微波通过连接有石英窗的锥形波导注入。在真空室中部产生电子回旋波，并在真空室中心的ECR区域完全吸收。
一个直径为50毫米的SUS圆盘电极放置在设备中心，距离微波注入窗口117.5厘米。可以通过对该电极施加负电压来加速离子。拉盖尔光束被对准，以便它在电极附近的非常接近的位置通过，并通过安装在设备上方的接收光学设备观察LIF。
为了避免塞曼分裂，拉盖尔光束的偏振被设置为与磁力线平行的线性偏振。值得指出的是，由于光的轨道角动量与偏振相关的自旋角动量是不同的自由度，所以拉盖尔光束的偏振可以自由选择。由于激光的基本横模是TEM00，因此需要通过某种方法将传播模式转换为LG模式，以在实验室中实现使用光学涡旋光束的LIF测量。
