光學渦旋

光學渦旋（optical vortex）也稱為光渦，是光學場中的零點，也就是光強度為零的點。自從約翰·奈（英语：John Nye (scientist)）和迈克尔·贝里在1974年提出全面性的論文後，就開始了許多光學渦旋性質的研究^[1]，論文描述「光波列位錯」的基本性質，這個研究後來成為「奇點光學」（singular optics）的核心理論。

解釋

在光學渦旋中，光會像螺旋開瓶器一般，沿著其軸扭轉。因為其扭轉，在軸的位置光會彼此相消。若投影在一平坦表面上，光學渦旋看起來會像一個光環，在中間有一個沒有光的黑色區域。這種螺旋形行進，中間黑暗的光，稱為光學渦旋。

光學渦旋的拓扑荷（英语：topological charge）定義為其在一個波長的扭轉次數，拓扑荷恆為整數，依其扭轉方向可能是正數或是負數。拓扑荷越大表示光沿著軸旋轉的越快。此自旋會隨著光波列而有角動量，若有電偶極矩則會產生力矩。

光的軌道角動量可以由捕獲粒子的軌道運動來觀察。光學渦旋和平面光的干涉會出現同心螺旋的螺旋相位。

在實驗室中有許多方式可以產生光學渦旋。一般可以直接用雷射產生^[2]，或者用一些方式，將雷射光束變成渦旋，例如用電腦產生全息圖，螺旋相位延遲的結構，或是材料中的雙折射渦旋。

性質

光學奇點是光場中的零點。在場中的相位會沿著零強度的點旋轉（因此稱為渦旋）。光學渦旋在二維場中為一個點，在三維場中為一條線（其余維數為2）。將場中的相位沿著包圍渦流的路徑場積分，會得到2π的整數倍。此整數稱為光學渦旋的拓扑荷或是強度。

超几何高斯光束（HyGG）在其中心有一個光學渦旋，光束的形式為

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

為旁軸波動方程含有贝塞尔函数的解（參照近軸近似）。超几何高斯光束中的光子有軌道角動量mħ，其中的正整數m也就是光束中央渦旋的強度。圓偏振光的自旋角動量可以被轉換成軌道角動量^[3]。

創造光學渦旋

 

用計算機生成全息圖產生的光學渦旋

有許多的方式可以產生超几何高斯光束，靜態螺旋相位板（Static spiral phase plate, SPP）、電腦產生的全息摄影、模式轉換（Mode conversion）、q板（英语：q-plate）、s板、空間光調製器（英语：spatial light modulator）及可變形反射鏡（英语：Deformable mirror）等。

應用

光學渦旋可用在許多應用中，例如以往只能直接偵測的太陽系外行星可以用旋風星冕儀觀測。光鑷可以用在處理像細胞大小的物體等，受激發射損耗顯微鏡（英语：STED microscopy）中也有到光學渦旋的技術。

相關條目

• 旋風星冕儀
• 光鑷
• 軌道角動量路復用（英语：Orbital angular momentum multiplexing）

參考資料

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. 

外部連結

• 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
• 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
• , 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
• . [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]. （原始内容于2015-04-30）. 
• Light Beams in High-Order Modes. [2016-04-11]. （原始内容于2017-04-17）. 
• . [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]. （原始内容于2012-10-24）.