涡旋是自然界最常见的现象之一，它普遍存在于水、云和气旋等经典宏观系统中，也存在于超流体、超导体和玻色-爱因斯坦凝聚等微观系统中，被认为是波的一种固有形态特种。
光学涡旋简介
摘要：涡旋是自然界最常见的现象之一，它普遍存在于水、云和气旋等经典宏观系统中，也存在于超流体、超导体和玻色-爱因斯坦凝聚等微观系统中，被认为是波的一种固有形态特种。
一、光学涡旋的发现
人们在研究潮汐运动时，发现在潮汐的涡旋中存在一种特殊点。当潮汐与等潮线接触时，潮汐峰就行消失。通过这一现象可以看出，在潮汐波中存在奇点，即光学涡旋。消球差透镜的焦平面处会形成一种奇异环，证实光波场中也存在光学涡旋。1973年，Carter利用计算机对奇异环的特性进行模拟研究。结果发现当光束受到轻微扰动时，就可以使得奇异环产生或消失。1974年Nye等在散斑场的研究中发现海水声波中存在相位奇点，并将奇点的概念推广到电磁波的领域。1981年，Baranova等发现在激光光斑上存在随机分布的光学涡旋，并通过实验发现在一定条件下，散斑光场中产生光学涡旋的概率是可以测定的，但是不会产生高阶拓扑荷数的光学涡旋场。1992年，Swartzlander等通过理论和实验研究发现，在自聚焦介质中存在光学涡旋孤子，且光学涡旋孤子在传输过程中与非线性介质会产生相互作用，这一发现对光学涡旋的传播具有很大的贡献。1998年，Voitsekhovich等在一定欺负条件下，详细研究了相位奇点数目密度的特性，结果表明相位奇点数目密度具有一定的统计分布，并不是一个特定的值，并且统计分布与振幅空间导数的概率分布有关。
图1.涡旋光示意图
二、光学涡旋的探索
到了21世纪，由于光学涡旋所涉及的研究领域进一步拓展，人们对光学涡旋的认识达到了一个新的高度。涡旋光作为波动的一种形式，不仅具有自旋角动量，而且具有由于螺旋形的相位结构而产生的轨道角动量（orbital angular momentum,OAM）。这种携带OAM的光束被称为“光学涡旋”。光学涡旋是一种特殊的光场，它的特殊性主要表现在其特殊的波前结构和确定的光子OAM上。通过光学涡旋场中光子OAM对原子、分子、胶体颗粒等物质的传递，可实现对微观粒子的亚接触、无损伤操纵；同时，涡旋光束因其具有拓扑荷数，在射频以及量子保密通信等领域也具有重要的潜在应用价值。
结语：涡旋光束在理论上具有无限维度，拓扑荷数取值可由负无穷到正无穷，且可取整数或分数，OAM这种特性为其在OAM复用和高维量子通信提供了理论依据。
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