光学涡旋

光学涡旋是一种具有螺旋形波前的特殊光场，其核心特征是光波的相位围绕一个中心点呈螺旋状分布，导致在光束中心处相位不确定，光强为零，形成一个暗核。

1. 基本概念与相位奇点

   • 普通的高斯光束（如激光笔发出的光）波前是平面或球面，相位在横截面上均匀变化。
   • 光学涡旋的光波前不是平面，而是像螺旋楼梯一样扭曲。其相位φ与方位角θ满足φ = ℓθ，其中ℓ称为拓扑荷（整数，可正可负），表示相位绕中心一周变化的周期数（2πℓ）。
   • 在光束中心，所有相位值交汇，导致相位无法定义，形成“相位奇点”。该点光强为零，呈现黑暗斑点。

2. 轨道角动量的携带

   • 光学涡旋不仅具有普通光子的自旋角动量（与圆偏振相关），还具有轨道角动量（OAM）。
   • 每个光子携带的轨道角动量为ℓħ（ħ是约化普朗克常数），正负号表示扭曲方向（左旋或右旋）。
   • 轨道角动量与相位结构直接关联，为光通信和信息处理提供了新的维度（例如，利用不同ℓ值编码数据）。

3. 产生方法

   • 使用螺旋相位板：一种光学元件，其厚度随方位角增加，入射光通过后获得螺旋相位。
   • 计算全息图：在空间光调制器上加载计算机生成的全息图，将高斯光束衍射成涡旋光束。
   • 模式转换：利用柱透镜系统将激光腔中的高阶 Hermite-Gaussian 模式转换为 Laguerre-Gaussian 模式（一种常见的涡旋光束）。

4. 检测与测量技术

   • 干涉法：将涡旋光束与平面波或球面波干涉，会产生叉状干涉图样，叉的臂数等于|ℓ|。
   • 衍射法：让光束通过一个具有扇形开口的孔径，衍射图案可揭示拓扑荷。
   • 模式分解：使用转换全息图或模式探测器分析光束中的 OAM 成分。

5. 应用领域

   • 光学微操控：利用光学涡旋的相位梯度和角动量，在光学镊子中旋转微小颗粒（如生物细胞）。
   • 超分辨率显微术：利用中心暗斑突破衍射极限，提高成像分辨率（例如 STED 显微镜）。
   • 光通信：轨道角动量复用可在同一频率下传输多路信号，极大提升信道容量。
   • 量子信息：光子 OAM 可作为高维量子比特（qudit），用于量子密钥分发和量子计算。