涡旋光束：当光学会‘旋转’时发生了什么？

一、被忽视的光学维度：轨道角动量

2008年，德国物理学家在实验室里观察到：当特殊结构的光束照射微粒时，这些微粒竟开始绕光轴稳定旋转。这个现象揭开了光学研究中一个被长期忽视的维度——光的轨道角动量。与常见的线动量和自旋角动量不同，轨道角动量来源于光束波前的空间相位分布特性。

典型的涡旋光束横截面呈现暗核环形结构，其相位分布满足exp(ilφ)的数学表达式，其中拓扑荷数l决定了光束携带的角动量量子数。当l=±1时，每个光子可携带±ħ的轨道角动量。这种特性使得单束激光可同时承载多维信息，为光通信带来颠覆性可能。

采用精密加工的螺旋状石英基板，在10mm直径范围内实现0-2πlθ的连续相位延迟。日本理化学研究所的纳米压印技术可将表面粗糙度控制在0.5nm以内，但拓扑荷数调节需更换不同参数相位板。

LCOS-SLM器件通过电压控制液晶分子排列，能在毫秒级响应时间内生成任意拓扑荷数的涡旋光束。中国科技大学团队开发的迭代算法可将模式纯度提升至98.7%，但存在约15%的能量损耗问题。

通过设计少模光纤的折射率剖面，让LP11模式与基模发生干涉。华为光实验室的最新成果显示，在1550nm波段可稳定输出拓扑荷数l=3的涡旋光，插入损耗已降至0.8dB以下。

美国加州大学团队设计的金纳米棒阵列超表面，厚度仅300nm即可实现从l=1到l=5的可调谐输出。这种方案特别适合集成化芯片应用，但目前转换效率仅约35%。

在量子通信领域，轨道角动量态构成了无限维Hilbert空间。清华大学团队利用l=±10的叠加态，成功实现了10维量子纠缠态的制备，信道容量较传统偏振编码提升4.8倍。

工业检测中，暗核特性使其对表面缺陷更敏感。当扫描铝合金表面时，涡旋光束产生的环形衍射图案对0.2μm级划痕的对比度是高斯光束的7.3倍。上海光机所开发的在线检测系统，误检率已降至0.03ppm。

大气湍流引起的模式串扰仍是最大挑战。中科院安徽光机所的实时补偿系统，通过哈特曼波前传感器和变形镜的组合，在3km自由空间传输中将模式纯度保持在91%以上。但该系统体积达2.3m³，难以满足移动平台需求。

另一个突出问题是模式密度极限。当拓扑荷数超过50时，相邻模式的角向间隔仅0.7度，现有解调设备的角分辨率难以区分。美国贝尔实验室提出的深度学习辅助识别方案，在l=100时仍可实现98.2%的识别准确率。