光学涡旋

光学涡旋（optical vortex）也称为光涡，是光学场中的零点，也就是光强度为零的点。自从约翰·奈（英语：John Nye (scientist)）和迈克尔·贝里在1974年提出全面性的论文后，就开始了许多光学涡旋性质的研究^[1]，论文描述“光波列位错”的基本性质，这个研究后来成为“奇点光学”（singular optics）的核心理论。

解释

在光学涡旋中，光会像螺旋开瓶器一般，沿着其轴扭转。因为其扭转，在轴的位置光会彼此相消。若投影在一平坦表面上，光学涡旋看起来会像一个光环，在中间有一个没有光的黑色区域。这种螺旋形行进，中间黑暗的光，称为光学涡旋。

光学涡旋的拓扑荷（英语：topological charge）定义为其在一个波长的扭转次数，拓扑荷恒为整数，依其扭转方向可能是正数或是负数。拓扑荷越大表示光沿着轴旋转的越快。此自旋会随着光波列而有角动量，若有电偶极矩则会产生力矩。

光的轨道角动量可以由捕获粒子的轨道运动来观察。光学涡旋和平面光的干涉会出现同心螺旋的螺旋相位。

在实验室中有许多方式可以产生光学涡旋。一般可以直接用激光产生^[2]，或者用一些方式，将激光光束变成涡旋，例如用电脑产生全息图，螺旋相位延迟的结构，或是材料中的双折射涡旋。

性质

光学奇点是光场中的零点。在场中的相位会沿着零强度的点旋转（因此称为涡旋）。光学涡旋在二维场中为一个点，在三维场中为一条线（其余维数为2）。将场中的相位沿着包围涡流的路径场积分，会得到2π的整数倍。此整数称为光学涡旋的拓扑荷或是强度。

超几何高斯光束（HyGG）在其中心有一个光学涡旋，光束的形式为

${\displaystyle \psi \propto e^{im\phi }e^{-r^{2}},\!}$

为旁轴波动方程含有贝塞尔函数的解（参照近轴近似）。超几何高斯光束中的光子有轨道角动量mħ，其中的正整数m也就是光束中央涡旋的强度。圆偏振光的自旋角动量可以被转换成轨道角动量^[3]。

创造光学涡旋

用计算机生成全息图产生的光学涡旋

有许多的方式可以产生超几何高斯光束，静态螺旋相位板（Static spiral phase plate, SPP）、电脑产生的全息摄影、模式转换（Mode conversion）、q板（英语：q-plate）、s板、空间光调制器（英语：spatial light modulator）及可变形反射镜（英语：Deformable mirror）等。

应用

光学涡旋可用在许多应用中，例如以往只能直接侦测的太阳系外行星可以用旋风星冕仪观测。光镊可以用在处理像细胞大小的物体等，受激发射损耗显微镜（英语：STED microscopy）中也有到光学涡旋的技术。

相关条目

• 旋风星冕仪
• 光镊
• 轨道角动量路复用（英语：Orbital angular momentum multiplexing）

参考资料

1. Nye, J. F.; M. V. Berry. Dislocations in wave trains (PDF). Proceedings of the Royal Society of London, Series A. 1974, 336 (1605): 165–190 [2006-11-28]. Bibcode:1974RSPSA.336..165N. doi:10.1098/rspa.1974.0012.
2. White, AG; Smith, CP; Heckenberg, NR; Rubinsztein-Dunlop, H; McDuff, R; Weiss, CO; Tamm, C. Interferometric measurements of phase singularities in the output of a visible laser. Journal of Modern Optics. 1991, 38 (12): 2531–2541. Bibcode:1991JMOp...38.2531W. doi:10.1080/09500349114552651.
3. Marrucci, L.; Manzo, C; Paparo, D. Optical spin-to-orbital angular momentum conversion in inhomogeneous anisotropic media. Physical Review Letters. 2006, 96 (16): 163905. Bibcode:2006PhRvL..96p3905M. PMID 16712234. arXiv:0712.0099 . doi:10.1103/PhysRevLett.96.163905.

外部链接

• Video of propagation simulation of Vortex Diffractive Optical Element from near field to far field（页面存档备份，存于互联网档案馆） by HoloOr
• Optical vortices and optical tweezers at the University of Glasgow
• Singular Optics Master list（页面存档备份，存于互联网档案馆） by Grover Swartzlander Jr., University of Arizona, Tucson
• Optical vortex coronograph, Gregory Foo, et al., University of Arizona, Tucson
• Optical tweezers（页面存档备份，存于互联网档案馆）, David Grier, NYU
• Selected Publications on Optical Vortices（页面存档备份，存于互联网档案馆） at Australian National University
• All Screwed Up: Scientific American article. [2016-04-11]. （原始内容存档于2007-10-15）.
• 'Twisting' light packs more information into one photon: New Scientist article. [2016-04-11]. （原始内容存档于2015-04-30）.
• Light Beams in High-Order Modes. [2016-04-11]. （原始内容存档于2017-04-17）.
• Twisted Light Encryption. [2016-04-11]. （原始内容存档于2007-08-27）.
• Twisted Physics: Scientists Create Knots of Light. Fox News. 2010-01-18 [2016-04-11]. （原始内容存档于2012-10-24）.