你還不知道「渦旋光束」?

1836年，Whewell在對同潮線和潮汐峰演變過程的觀察中發現，多列同潮線交匯於同一點，並沿該點旋轉，潮汐峰隨之消失，且此處潮水位為零，該點就是存在於潮汐波中的相位奇點。在光學領域同樣存在著類似現象，我們稱這類光束為渦旋光束。

相比一般的光束，渦旋光束因其與眾不同的特性，自1989年被首次提出以後，很快引發了研究者濃厚的興趣，迅速成為現代光學研究中一個重要分支。今天，我們就一起來了解一下渦旋光束。

渦旋光束是一類具有環形光強分布，螺旋型波前結構的光束，除了具有自旋角動量還額外具有軌道角動量。在傳輸過程中，光束中心具有相位奇點，在奇點處光強為零、無加熱效應、無衍射效應。

首先，什麼是「渦旋」？其實「渦旋」就是「漩渦」的意思，生活中的「漩渦」，你一定見過，比如這些：

「漩渦」一般是指水流遇低洼處所激成的螺旋形水渦。或者是氣體、煙霧等旋轉時形成的螺旋形流向。

——出自《新華字典》

理解了「渦旋」，再來看光束。

生活中有很多常見的光：

基本概念：

光線：在幾何光學中，通常將發光點發出的光抽象為許許多多攜帶能量並帶有方向的幾何線。

波面：發光點發出的光波向四周傳播時，某一時刻其振動位相相同的點所構成的等相位面稱為波陣面，簡稱波面。

光束：與波面對應的所有光線的集合稱為光束。

那麼，與「渦旋波面」對應的所有光線的集合是怎樣的呢？要回答這個問題，還要回到生命之源——水。

扔一顆小石子到平靜的湖面，就可以看到美麗的漣漪：

用一張圖來仔細研究一下：

如圖所示，水波是由石子投入的地方開始，以波動的形式傳播到遠處。由於光是一種電磁波，具有波動性，是電磁振動在空間的傳播，即從發光處（光源）以交變的電磁場相互激發形式傳播到遠處。與水波不同的是，光波的傳播不需要介質。

光的傳播

下面簡單介紹兩種常見情況：

情況一：

水波的傳播依賴於介質，因此會局限於水面上，是二維的，因此連起來的等相位線是一個圓周。但是，光的傳播依賴於電磁場的相互激發，其不需要介質，可在三維空間中自由傳播。這些等相位線組成面，就是等相位面，它是以電燈為球心的同心球面。如下動圖所示：

像燈泡這種由一個點向三維空間發出的光，等相位面（波面）是一個以發光點為球心的同心球面，稱為「球面波」。

情況二：

手電筒中傳出的光束近似為平行光，若將其等相位線連起來會形成一個近似的平面，即等相位面（波面），這種在傳播過程中波面是相互平行的平面的光波則被稱為「平面波」。

普通雷射器出射的雷射也可近似看作平面波。

那渦旋光束的波面又是怎樣的呢？

既不是球面也不是平面，而是螺旋的！

下圖是我們生活中常見的螺旋結構：

渦旋光束的波面就是類似這樣的螺旋

圖中的m是渦旋光束的軌道角動量，也稱為拓撲荷數，簡單來說就是指圍繞光束中心一周，相位的變化是2π的多少倍。自轉的地球具有自旋角動量（SAM），繞太陽旋轉的地球具有軌道角動量(OAM)，光子也可以攜帶角動量——通過表現為偏振的自旋角動量，以及上述表現為螺旋等相位面的軌道角動量。這樣的渦旋光束中的每個光子攜帶的軌道角動量可以傳遞給粒子，驅動粒子旋轉，從而實現對粒子的捕獲、平移。

這種螺旋結構是怎麼實現對粒子的捕獲的呢？來做個簡單的生活實驗。

實驗準備：

實驗操作：

（圖中紅色的是標記的燒杯中心）

用玻璃棒攪拌燒杯中的水，形成漩渦以後，原本分散在燒杯角落的「粒子」（矽膠顆粒）先隨著水流開始旋轉，當攪拌停止以後，粒子慢慢旋轉並聚集在了燒杯底部的漩渦中心區域，它們似乎被一種力量束縛在了這個區域。顯然，是螺旋的水產生了這種力量。可以推測，這種螺旋結構具有捕獲粒子的能力。除此之外，我們還可以看到當燒杯中的水被攪拌形成漩渦的時候，水面在中心形成凹陷，這是因為越靠近水流的中心，水面的扭曲變得越來越緊，最終形成奇點，這也可以幫我們理解渦旋光束環形分布的暗中空光強結構。

科學家們由此聯想到，渦旋光束也像這燒杯中的漩渦水一樣，螺旋著向前傳播，所以渦旋光束有可能同樣具有這種「束縛」粒子的能力。早在1995年，K. T. Gahagan 和 G. A. Jr. Swartzlander 等人的研究團隊就驗證了這樣的猜測，他們使用這種渦旋光束在水中對20微米直徑的空心玻璃球實現了三維捕獲。

捕獲過程：渦旋光束聚焦到水中的空心玻璃球，玻璃球開始旋轉，然後逐步向光環中心靠攏，在渦旋光束比較強並且粒子比較小的情況下，渦旋光束會將粒子束縛在光束光環上。當粒子比較大，光束不強時，粒子會旋轉著向光束的中心暗核靠攏，最終被捕獲在光束中心。當粒子比較小，光束很強時，由於強光強區域的梯度力，會使粒子被捕獲在光束的亮環上。

原理解釋：

對於小顆粒，由光散射產生的力，即動量反衝力佔主導地位。對於緊密聚焦的渦旋光束，散射力的主要分量在於光束傳播的方向，而梯度力再次將粒子約束到最大光束強度的環上。然而，由於渦旋光束強度分布是圓柱對稱的，因此粒子不受方位角的約束，而可能被捕獲在最強光環的任意位置。較大顆粒會與光束內在自旋和外在軌道角動量相互作用使顆粒圍繞著光軸旋轉的同時自轉。由於顆粒較大，其受到的梯度力相對較小，因而不會被束縛在光環上，而是慢慢旋轉到光束中心的暗核附近。

捕獲過程

早在1986年，人們就發明了利用光捕獲粒子的光鑷技術。所謂光鑷，是用高度會聚的雷射束形成的三維勢阱來俘獲、操縱和控制微小顆粒的一項技術。與機械鑷子相比，光鑷以非機械接觸的方式來完成夾持和操縱物體，它可以對目標細胞進行非接觸式的捕獲和固定，以及對細胞進行精確操作，且可通過選用適當波長的雷射，使光鑷對物質的熱學或化學等效應非常弱，從而對細胞產生的損傷非常小。因此在生命科學研究中，幾乎所有的單細胞操作都採用光鑷進行操控。不過常規光鑷使用的是高斯光束（等相位面近似於平面）。高斯光束的光強在光束中心最強，向邊緣指數衰減。其捕獲原理與渦旋光束不同，如下圖所示：

高斯光束利用梯度力捕獲粒子

高斯光束依靠的是作用在任意透明粒子上的偶極力導致的朝向光束焦點的力。如果光束聚焦緊密，合成的梯度力足以克服散射力和重力的影響，那麼就可以為直徑達幾微米的透明粒子創建三維陷阱，使粒子束縛在光強最強的中心區域。

高斯光束越強，其捕獲粒子的能力就越大，但是對於很多微小的粒子，尤其是生物顆粒，高強度的雷射有可能對粒子造成不可逆的損傷。

而渦旋光束的光強分布是環狀的：

中心光強為零的環狀光束

這樣的中心暗斑會降低對生命物質的傷害，即使增加光強也不會對粒子造成太大的損傷，粒子可以毫髮無損地被束縛在光束中心，因此在生物醫學方面具有獨特優勢。因此渦旋光束被廣泛應用於粒子操控領域，如捕獲線粒體、溶酶體、金屬顆粒、無機物和有機物顆粒等。

捕獲CuO顆粒

捕獲並標記溶酶體

除了捕獲特性，渦旋光束攜帶的軌道角動量是一個相對穩定的量，在光通信中，渦旋光束的拓撲荷數既可以作為載體傳遞信息，也可以為信道提供全新的復用維度，從而提高空間光通信系統的容量。

渦旋光束還有哪些奇特之處呢？

1.渦旋光束有螺旋式相位結構，光場中存在奇異點，在奇點處，振幅為零且相位不確定，光束傳播過程中光強呈現為環狀分布。

2. 具有軌道角動量，這種角動量具有機械效應，不僅可以產生扭矩還可以使物體移動，從而促進了上文中提到的光鑷技術的發展。渦旋光束的軌道角動量，還可用於自由空間光通信，並且具有信息存儲量大、穩定性高和保密性好的特點，為高密度信息存儲和傳輸提供了理論支持。

3. 帶有偏振態分布的渦旋光束還可用於雷射加工和材料處理等。

有了上述「特異功能」，渦旋光束在醫學、通信、材料加工等領域將會有更為廣闊的應用。

來源：中國科學院光電技術研究所