技术背景

光场中的涡旋现象最初由Boivin、Dow和Wolf于1967年在透镜组的焦平面附近发现。1973年，Bryngdahl首次开展了对制备涡旋光实验方法的探索。1979年Vaughan和Willets使用连续激光成功制备了涡旋光。1990年Yu、Bazgenov V首次使用光栅法完成了涡旋光的制备。1992年，L.Allen发现了在近轴条件下带有相位因子的涡旋光束具有轨道角动量，其中l为涡旋光轨道角动量拓扑荷数，为方位角；每个光子携带的轨道角动量，为约化普朗克常数，该角相位因子说明涡旋光在传播过程中，若光束传播一个周期，则波阵面正好绕光轴旋转一周，相位也相应改变2πl。

涡旋光作为一种具有螺旋波阵面的新型结构光束，在光通信、粒子微操控、运动探测、光学微测量等领域具有重要的应用价值。拉盖尔-高斯光是一种典型的涡旋光，光束中的光子不仅具有自旋角动量(SAM)，也具有轨道角动量(OAM)，拓扑荷数决定了OAM的大小。完整的单一态拉盖尔-高斯光束具有圆环形的强度分布和中空暗核，光束中心强度为零的区域被定义为相位奇点。涡旋光束根据相位奇点的类型可分为两类，一类是光场的偏转方向相同，奇点的相位不确定，称为相位涡旋光；另一类是奇点的偏振方向不确定，称为矢量涡旋光，拉盖尔-高斯光是一种相位涡旋光。多种单一模式的涡旋光叠加可得到叠加态涡旋光，具有与单一态涡旋光不同的强度和相位分布。

涡旋光的制备是开展涡旋光研究的基础，常用的制备方法包括模式转换法、计算全息法、空间光调制器法、Q板法和矩阵螺旋相位板法。在实验室条件下，空间光调制器法是一种常用的制备方法。空间光调制器通过控制电场引起液晶显示器空间相位或振幅图像的变化，从而将一定的信息写入光波中，实现对光波的调制。通过复振幅调控技术制备涡旋光的全息图样并加载到空间光调制器，用一束线偏振高斯光照射空间光调制器，出射光即为涡旋光束。

目前已有的光学设备中，只存在可以调节涡旋光相位的装置，例如螺旋相位板，螺旋相位板(Spiral Phase Plate，简称SPP)是一种可以实现螺旋波面变换的相位滤波器。作为新的纯相位的衍射光学元器件，光学厚度与旋转方位角φ成正比，相位延迟函数为exp(ilφ)，其中l是SPP的拓扑荷，φ是旋转方位角，绕中心旋转一周的相位变化是2lπ。入射平面波通过SPP的出射光束具有螺旋相位波前。SPP作为一种新型的衍射光学元件，已在光信息处理、光学微操纵、生物医学、形貌测量、天文观测等诸多领域得到实际应用。通过涡旋光制备中光学衍射元件(DOE)的制作算法，可以制作出不需要空间光调制器(SLM)的光学元件，直接对涡旋光进行振幅与相位的调制，即完成对涡旋光的复振幅调制。