1836年，Whewell在对同潮线和潮汐峰演化进程的调查中发现，多列同潮线交汇于同一点，并沿该点旋转，潮汐峰随之消失，且此处潮水位为零，该点便是存在于潮汐波中的相位奇点。在光学范畴相同存在着相似现象，咱们称这类光束为涡旋光束。
比较一般的光束，涡旋光束因其异乎寻常的特性，自1989年被初次提出今后，很快引发了研讨者稠密的爱好，敏捷成为现代光学研讨中一个重要分支。今日，咱们就一起来了解一下涡旋光束。
涡旋光束是一类具有环形光强散布，螺旋型波前结构的光束，除了具有自旋角动量还额定具有轨道角动量。在传输进程中，光束中心具有相位奇点，在奇点处光强为零、无加热效应、无衍射效应。
首要，什么是“涡旋”？其实“涡旋”便是“漩涡”的意思，日子中的“漩涡”，你必定见过，比方这些：
“漩涡”一般是指水流遇低洼场所激成的螺旋形水涡。或者是气体、烟雾等旋转时构成的螺旋形流向。
——出自《新华字典》
了解了“涡旋”，再来看光束。
日子中有许多常见的光：
基本概念：
光线：在几许光学中，通常将发光点宣布的光笼统为许许多多带着能量并带有方向的几许线。
波面：发光点宣布的光波向四周传达时，某一时刻其振荡位相相同的点所构成的等相位面称为波阵面，简称波面。
光束：与波面对应的一切光线的调集称为光束。
那么，与“涡旋波面”对应的一切光线的调集是怎样的呢？要回答这个问题，还要回到生命之源——水。
扔一颗小石子到安静的湖面，就能够看到美丽的涟漪：
用一张图来细心研讨一下：
如图所示，水波是由石子投入的当地开端，以动摇的方法传达到远处。因为光是一种电磁波，具有动摇性，是电磁振荡在空间的传达，即从发光处（光源）以交变的电磁场彼此激起方法传达到远处。与水波不同的是，光波的传达不需要介质。
光的传达
下面简略介绍两种常见状况：
状况一：
水波的传达依赖于介质，因而会局限于水面上，是二维的，因而连起来的等相位线是一个圆周。可是，光的传达依赖于电磁场的彼此激起，其不需要介质，可在三维空间中自在传达。这些等相位线组成面，便是等相位面，它是以电灯为球心的同心球面。如下动图所示：
像灯泡这种由一个点向三维空间宣布的光，等相位面（波面）是一个以发光点为球心的同心球面，称为“球面波”。
状况二：
手电筒中传出的光束近似为平行光，若将其等相位线连起来会构成一个近似的平面，即等相位面（波面），这种在传达进程中波面是彼此平行的平面的光波则被称为“平面波”。
一般激光器出射的激光也可近似看作平面波。
那涡旋光束的波面又是怎样的呢？
既不是球面也不是平面，而是螺旋的！
下图是咱们日子中常见的螺旋结构：
涡旋光束的波面便是相似这样的螺旋
图中的m是涡旋光束的轨道角动量，也称为拓扑荷数，简略来说便是指环绕光束中心一周，相位的改变是2π的多少倍。自转的地球具有自旋角动量（SAM），绕太阳旋转的地球具有轨道角动量(OAM)，光子也能够带着角动量——经过表现为偏振的自旋角动量，以及上述表现为螺旋等相位面的轨道角动量。这样的涡旋光束中的每个光子带着的轨道角动量能够传递给粒子，驱动粒子旋转，然后完结对粒子的捕获、平移。
这种螺旋结构是怎样完结对粒子的捕获的呢？来做个简略的日子试验。
试验预备：
试验操作：
（图中赤色的是符号的烧杯中心）
用玻璃棒拌和烧杯中的水，构成漩涡今后，本来涣散在烧杯旮旯的“粒子”（硅胶颗粒）先跟着水流开端旋转，当拌和中止今后，粒子渐渐旋转并集合在了烧杯底部的漩涡中心区域，它们好像被一种力气捆绑在了这个区域。明显，是螺旋的水发生了这种力气。能够估测，这种螺旋结构具有捕获粒子的才能。除此之外，咱们还能够看到当烧杯中的水被拌和构成漩涡的时分，水面在中心构成洼陷，这是因为越接近水流的中心，水面的歪曲变得越来越紧，终究构成奇点，这也能够帮咱们了解涡旋光束环形散布的暗中空光强结构。
科学家们由此联想到，涡旋光束也像这烧杯中的漩涡水相同，螺旋着向前传达，所以涡旋光束有或许相同具有这种“捆绑”粒子的才能。早在1995年，K. T. Gahagan 和 G. A. Jr. Swartzlander 等人的研讨团队就验证了这样的猜想，他们运用这种涡旋光束在水中对20微米直径的空心玻璃球完结了三维捕获。
捕获进程：涡旋光束聚集到水中的空心玻璃球，玻璃球开端旋转，然后逐渐向光环中心挨近，在涡旋光束比较强而且粒子比较小的状况下，涡旋光束会将粒子捆绑在光束光环上。当粒子比较大，光束不强时，粒子会旋转着向光束的中心暗核挨近，终究被捕获在光束中心。当粒子比较小，光束很强时，因为强光强区域的梯度力，会使粒子被捕获在光束的亮环上。
原了解说：
关于小颗粒，由光散射发生的力，即动量反冲力占主导地位。关于严密聚集的涡旋光束，散射力的首要重量在于光束传达的方向，而梯度力再次将粒子捆绑到最大光束强度的环上。可是，因为涡旋光束强度散布是圆柱对称的，因而粒子不受方位角的捆绑，而或许被捕获在最强光环的恣意方位。较大颗粒会与光束内涵自旋和外在轨道角动量彼此效果使颗粒环绕着光轴旋转的一起自转。因为颗粒较大，其遭到的梯度力相对较小，因而不会被捆绑在光环上，而是渐渐旋转到光束中心的暗核邻近。
捕获进程
早在1986年，人们就发明晰使用光捕获粒子的光镊技能。所谓光镊，是用高度集聚的激光束构成的三维势阱来抓获、操作和控制细小颗粒的一项技能。与机械镊子比较，光镊以非机械触摸的方法来完结夹持和操作物体，它能够对方针细胞进行非触摸式的捕获和固定，以及对细胞进行准确操作，且可经过选用恰当波长的激光，使光镊对物质的热学或化学等效应十分弱，然后对细胞发生的损害十分小。因而在生命科学研讨中，简直一切的单细胞操作都采用光镊进行控制。不过惯例光镊运用的是高斯光束（等相位面近似于平面）。高斯光束的光强在光束中心最强，向边际指数衰减。其捕获原理与涡旋光束不同，如下图所示：
高斯光束使用梯度力捕获粒子
高斯光束依托的是效果在恣意通明粒子上的偶竭力导致的朝向光束焦点的力。假如光束聚集严密，组成的梯度力足以战胜散射力和重力的影响，那么就能够为直径达几微米的通明粒子创立三维圈套，使粒子捆绑在光强最强的中心区域。
高斯光束越强，其捕获粒子的才能就越大，可是关于许多细小的粒子，尤其是生物颗粒，高强度的激光有或许对粒子形成不可逆的损害。
而涡旋光束的光强散布是环状的：
中心光强为零的环状光束
这样的中心暗斑会下降对生命物质的损害，即便添加光强也不会对粒子形成太大的损害，粒子能够毫发无损地被捆绑在光束中心，因而在生物医学方面具有共同优势。因而涡旋光束被广泛使用于粒子控制范畴，如捕获线粒体、溶酶体、金属颗粒、无机物和有机物颗粒等。
捕获CuO颗粒
捕获并符号溶酶体
除了捕获特性，涡旋光束带着的轨道角动量是一个相对安稳的量，在光通讯中，涡旋光束的拓扑荷数既能够作为载体传递信息，也能够为信道供给全新的复用维度，然后进步空间光通讯体系的容量。
涡旋光束还有哪些独特之处呢？
1.涡旋光束有螺旋式相位结构，光场中存在奇特色，在奇点处，振幅为零且相位不确定，光束传达进程中光强呈现为环状散布。
2. 具有轨道角动量，这种角动量具有机械效应，不只能够发生扭矩还能够使物体移动，然后促进了上文中说到的光镊技能的开展。涡旋光束的轨道角动量，还可用于自在空间光通讯，而且具有信息存储量大、安稳性高和保密性好的特色，为高密度信息存储和传输供给了理论支撑。
3. 带有偏振态散布的涡旋光束还可用于激光加工和资料处理等。
有了上述“特异功能”，涡旋光束在医学、通讯、资料加工等范畴将会有更为宽广的使用。
来历：中国科学院光电技能研讨所
