2019年10月2日，Nature出版集团期刊Light: Science & Applications（IF: 14.0）发表了回顾、梳理光学涡旋三十年发展史的长篇综述文章“Optical vortices 30 years on: OAM manipulation from topological charge to multiple singularities”。该文章以光学涡旋的广义可调谐性为主线，梳理了光学涡旋自概念提出以来三十年的发展脉络，对其理论、实验与应用的标志性成果进行了系统、深入的综述与展望。
涡旋是自然界中的一种普遍现象，大到银河中的螺旋星系、海洋环流、台风气旋，小到液氮中的量子涡旋，都有涡旋的存在。1989年法国科学家P. Coullet等人认识到光场与流体有着相似的物理性质，同样可以形成涡旋结构，提出了光学涡旋（Optical Vortex，OV）的概念。
图一 1989~2019年，光学涡旋30年发展脉络的回顾与梳理，包括重大的理论和技术突破及对应文献。
光学涡旋三十年的发展史可以分为三个阶段：第一个十年是OV理论发展的十年，期间提出和发现了拓扑荷数、相位奇点、涡旋晶格、具有螺旋型波前和轨道角动量（Orbital Angular Momentum，OAM）的涡旋光束（Vortex Beam，VB）等全新的物理概念和新奇的物理现象，为之后的科学应用奠定了理论基础；第二个十年是OV应用发展的十年，OV因其OAM高维度等特点，为量子技术、光镊与粒子捕获、超分辨成像、生物医学与化学检测、大容量光通信等应用领域带来了具有更加优异性能、指标的独特光源；最近的十年是OV技术突破的十年，超材料和超表面的出现将光学涡旋带入纳米尺度的微观世界，开辟了微纳涡旋发射器及纳米加工等应用，利用OV光通信将信息容量拓展到Tbit量级并向Pbit量级推进，OV与OAM的操控技术也催生了新的量子与非线性光学效应。如今OV依然是科学界的顶级研究热点之一，其理论与应用已遍及光学的各个领域。
图二 光子自旋轨道角动量（SAM）与轨道角动量（OAM）的本征态图解。
OV如此广泛的应用得益于其不同于普通平面波的独特性质，OV中的光束传播动量，即电磁波的波矢量 k 具有沿方位角（θ）方向的倾斜分量，沿 θ 方向的相位变化导致波前呈现螺旋形态，该相位变化所对应的光子参数即为OAM。OAM模式的特征值（又称拓扑荷数）ℓ的取值只能为整数，即绕轴一周的相位变化只能是 2π的整数倍（表现为扭转一周回到原始状态的基本拓扑性质）。在该类模式中，每个光子携带的 OAM 为 ℓħ, 因而OAM也成为了连接经典光学和量子属性的桥梁。与光子自旋不同（自旋仅有两个本征值σ = ±1），理论上ℓ的可能取值范围为所有整数值（ℓ = 0, ±1, ±2, … ±∞），这恰好对应了一组希尔伯特空间中的完备正交基exp(iℓθ)。这些奇特的结构为OV和VB带来了与众不同的反射、衍射、干涉、偏振等特性。
图三 涡旋光束的基本拓扑结构贯穿于艺术、科学领域：彭罗斯阶梯（a）、莫比乌斯环（b，c）与涡旋相位（d）属于同构的拓扑结构。
OV的种类丰富多样，如基本光束模式中的拉盖尔-高斯（Laguerre–Gaussian，LG）模式、厄密-拉盖尔-高斯（Hermite–Laguerre–Gaussian，HLG）模式、涡旋恩斯高斯（Ince–Gaussian，IG）模式、奇点混合演化（Singularities Hybrid Evolution，SHEN）模式、贝塞尔（Bessel）模式、马丢（Mathieu）模式、SU(2)几何模式等，还包括如光学莫比乌斯（Möbius）环、涡旋纽结等复杂的空间涡旋拓扑模型。
图四 涡旋光束的分解：LG涡旋光束可表示为以HG模式为基底的线性组合（虚线框内为空间涡旋的相位分布）。
OV的发展还表明，可调谐性的不断提升贯穿于理论与应用发展的主线中。较之一般光束，OV的独特结构导致其具有更多的调谐维度，波长调谐之外还应考虑空间结构的调谐，即OAM的调谐。OAM调谐对于单一奇点的涡旋光束而言就是调谐拓扑荷数，对于多奇点光束而言还包括多奇点分布的调控。因而发展波长与OAM可调谐的OV光源是进一步拓展科学应用的关键。另外，对于脉冲涡旋光源，脉宽与波形的调谐也是关键的调谐技术之一。近年来，利用固体激光器和光纤激光器均产生了大范围可调谐涡旋光源的成果。
图五 丰富多样的涡旋光束。
OV可调谐性能的提升不断催生先进的应用技术：得益于OAM调谐和多奇点调谐的发展，光镊操控领域实现了粒子的多自由度运动操控和多粒子空间操控；得益于OAM调谐与波长调谐技术，空间复用与波长复用可同时作用于光通信，将通信容量拓展到Tbit乃至Pbit量级；得益于纳米尺度的OV调控技术，开辟了微纳涡旋发射器、纳米加工、自旋轨道角动量耦合等应用；得益于更大范围的拓扑荷数操控技术，量子纠缠技术可拓展至更高维度；得益于高功率脉冲可调谐OV的出现，一些新兴的基于角动量守恒的非线性光学现象得到了探究和实现，如OAM倍频、OAM高次谐波、X光学涡旋等等……可调谐光学涡旋还被应用于超分辨成像、天文学探测、生物医学检测、化学结构分离、精密测量等领域。
图六 （a）多种微纳涡旋发射器的设计方案；（b）涡旋光束用于手性分子检测与分离；（c）利用涡旋光束进行纳米加工，形成（d）右旋和（e）左旋的手性纳米针尖结构；OAM非线性效应探究：（f）旋转多普勒效应与（g）OAM高次谐波；（h）利用涡旋光束进行目标探测。
总之，光学涡旋发展初级阶段的主要矛盾是：不断提出的涡旋光束理论模型描述，与其空缺和亟待发展的实际应用之间的矛盾，而经过三十年的发展，涡旋光束发展新阶段的主要矛盾已经转变为：广泛的科学应用对各种新型特殊涡旋光束的需求，与尚不充分、不完备的光束定制方法发展之间的矛盾。相信在未来数十年间，更加优异的可调谐涡旋光源必然会不断涌现，并推动新的物理现象与科学应用的出现。
该成果以Optical vortices 30 years on: OAM manipulation from topological charge to multiple singularities为题发表于Light: Science & Applications (https://doi.org/10.1038/s41377-019-0194-2)。清华大学申艺杰博士为论文的第一作者，清华大学付星副教授/特别研究员与深圳大学袁小聪教授为论文的共同通讯作者，清华大学为论文的第一单位。该研究获得国家重点研发计划、国家/北京市/广东省自然科学基金、北京市优秀人才、广东省领军人才等项目的资助，获得清华大学光子测控技术教育部重点实验室、深圳大学纳米光子学研究中心等平台的支持。
文章链接
https://www.nature.com/articles/s41377-019-0194-2
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