关键词： 螺旋相位片 螺旋相位板 相位板 螺旋位相板 螺旋位相片
随机相位片 复合型相位片 漩涡光束 光学旋涡 漩涡光元件 涡旋光束元件 方形光斑螺旋相位片
涡旋拓扑荷 拓扑荷数
在光学中，有一类光束具有螺旋相位波前结构或者相位奇点的特殊光场分布，其波前沿传播方向上的轴螺旋前进，这种旋转导致光束在光轴处相互抵消，投影到一个平面上看起来像中心暗孔的光环，这类光波通常被称作“光学涡旋（Optical Vortices，简称OV）”，也可以称为漩涡光束或涡旋光。
涡旋光束/漩涡光近年来引起了物理学界的浓厚兴趣。所谓涡旋光束即具有连续螺旋状相位的光束，光束的波阵面既不是平面，也不是球面，而是像旋涡状，具有奇异性。涡旋光束具有柱对称的传播性质，此种光束的涡旋中心是一个暗核，在此光强消失，其在传播过程中也保持中心光强为零。涡旋光束的相位波前成螺旋形分布，所以波矢量有方位项，且其绕着涡旋中心旋转。而正是因为这个旋转，光波携带了轨道角动量。在这个螺旋相位的中心具有奇异性，因为此处的相位是不确定的，而且场振幅也消失了，因此漩涡光的中心形成了 “黑心光束”。
获得涡旋光束最通用的方法就是采用螺旋相位片，螺旋相位片能够充当相位特征f(x,y)的单色项的光学元件。目前，除了可用螺旋相位板产生涡旋光束之外，还有许多方法可以产生涡旋光束。如运用全息光栅，由低阶高斯模产生涡旋光束；也可采用包含球形透镜和柱透镜的模式转换器，由高阶厄米原高斯模获得涡旋光束；还可选择性地直接从具有相位转换装置的激光谐振腔中产生涡旋光束等。但螺旋相位板是获得漩涡光最简单、直接的方法，其能够方便地设计漩涡光的直径和拓扑荷数，满足用户的各种需求。
螺旋相位板也称为螺旋相位片、漩涡光元件、，螺旋相位片的英文翻译为Spiral Phase Plate或Vortex，涡旋光束元件，是相位板的一种，相位板英文名称为Phase-plate。
维尔克斯光电提供最全面的螺旋相位片产品，有高达数百种标准产品，不仅在波长上涵盖193nm~10.6um的激光波段和0.1THz~4THz的太赫兹波段，而且包含1~12个拓扑荷数，还包括台阶型和连续面型两种表面结构，能够满足用户的各种需求。
螺旋相位片的特点：
激光通过螺旋相位片之后产生的光学涡旋具有三大主要特性：螺旋相位波前结构、确定的光子轨道角动量（OAM）以及暗心结构。
在螺旋相位片产生的环形光斑上，光的相位随着旋转角度单调变化，相位的变化量和角度已经拓扑荷数有关。
涡旋光束之所以应用非常广泛，特别是在光学操控领域极具优势，是因为涡旋光束所具有的螺旋波面可以聚焦成环形的光陷，而这个环形的光陷就是光学涡旋。
漩涡光拓扑荷数
拓扑荷数是螺旋相片最重要的基本参数，通常用m表示，也可以被称为光学拓扑荷。注：某些粒子的特性在场变形下保持不变，这样的守恒律称为拓扑，其守恒荷称为拓扑荷。要实现调整涡旋光束的轨道角动量，可以通过改变波前的螺旋绕数m，或者也可以通过增大光子流。由于每一个光学涡旋都具有一定的螺旋规模，若轨道角动量固定，则会给要求几何或光子密度保持不变的应用带来一些限制。
螺旋相位片的应用：
涡旋光已经在现代多项科技中取得了广泛应用，它不仅可用于增大激光腔的模体积，光的光导，频率移动，角动量的改变，而且还可以作为在自聚焦介质中的暗孤子。涡旋光束所拥有的轨道角动量更可用于自由空间光通信的信息解码。不过， 最为突出的还是其在光学微操控领域中的应用，如对微粒和原子的光陷，捕获和引导粒子，旋转吸收的粒子等。光操控在现代科技中被誉为是一项非凡的技术，运用梯度力和散射力的原理，通过这项技术我们便可以实现控制微粒的运动。涡旋光场在光学微控领域的应用已经导致了人们对光场中光学角动量的大量研究，尤其是拉盖尔原高斯光场和高阶贝塞尔光场。由于梯度力，微粒可被陷于此种涡旋光中，而通过散射或吸收，微粒又可因角动量转换，沿着光场的环状光强分布旋转。
螺旋相位片的研究发展非常迅速，已经用于显微镜的光镊，高速无线电漩涡通信（可传输每秒 2.5Tb 的数据），取代普通流式细胞筛选机的“光镊”（Optical Tweezer），作为束缚粒子的“势阱”，作为调整粒子旋转方向的“光学扳手（Optical Spanners），量子信息技术的密码通信（利用涡旋光拓扑荷可任意改变的特点），此外，螺旋相位片在成像、计算等领域也有应用。
光学涡旋的研究动态
螺旋相位片产生的光学涡旋是近几年来受到重视和广泛研究的一种重要光场，它的基础研究涉及了许多方面的物理研究，如光的轨道角动量、波前、空间相干和时间相干。光学涡旋代表的是相位奇异性， 它普遍存在于光物理学的众多领域之中。光学涡旋也可以称为“相位缺陷”，它是光束横截面上的相位以2π螺旋式围绕中心变化的光场，它经常发生在相干传播过程中，如拉盖尔原高斯激光束和光学涡旋孤子。 当产生光学涡旋时，平面波存在着类似于晶体的“螺旋式缺陷” ，波前会绕着在传播方向上的一条线以螺旋方式旋转传播。远离此线的波是平面波；在该线上光的相位是不确定的，即场的实部和虚部都为零，为此该处光强亦为零。
围绕涡旋点，相位的旋转有顺时针和逆时针两种方式，且分别对应两种拓扑荷。涡旋的运动速度取决于参量变化的快慢，这些参量包括相对相位和振幅。举例来说，当光出现一个超短脉冲时对应的振幅的变化速率会变大很多，所以此时的光学涡旋的运动速度便会超过原先的速度。这个发现并没有违背相对论原理，因为涡旋的速度是光的相速度。可见，光学涡旋在波前相位分布中是一个孤立的奇点。光束中包含有涡旋的特征是现代光学的一个重要现象。为了获得此类包含有光学涡旋的光束，人们根据研究其独特的特征，想出了各种各样的方法。特别是通过特殊设计的人造全息图，高阶激光模式分离器，螺旋相位板，双柱透镜相位转换器及非线性光学现象来获得光学涡旋。而且它还可以由粗糙表面的光的散射，甚至是由规则的波干涉得到。 若空间中有三个或更多的光场互相干涉，并且产生了一个光强最小的区域，则此时这个最小光强区指的就是光学涡旋。 而正是在此处，相位的性质是奇异的，这就是所谓的相位奇异性。这种奇异性不限于光学领域，在其他诸如流体力学，玻色原爱因斯坦凝聚(BEC)和晶体学等领域中也 广泛存在。 光学奇异性的特点在于它所密切相关的光场具有倾向波前，就是这个倾向性成了坡印亭矢量的方位元，从而导致光场中产生了轨道角动量。 光学涡旋以其所具有的性质，极大地丰富了科学研究和科技应用领域，如它在微电力系统 中可以充当理想的螺线管，而光学涡旋列更可以为微射流系统聚集胶质微粒。不过这些应用都要求对光学涡旋的光强分布和角动量流有一个更全面和更深刻的认识。此外还有量子纠缠，相衬图象，光学微控和光学散斑场等等，尤其在光学微控领域，光学涡旋对其具有深远的影响力。
人们对光学涡旋的兴趣是源于发现了相干波在粗糙表面反射的过程中包含有相位缺陷，这个缺陷又被称为边螺和相位混乱、大气中光束的相位涨落、激光斑上包含有大量随机分布的光学涡旋、激光腔中的非线性光学涡旋、自聚焦介质中的光学涡旋孤子。由于类似微粒的性质，光学涡旋之间可能互相排斥或吸引，而且它们会发生诸如分裂、消失及出现更为复杂的光学涡旋现象，光学涡旋的传播动力学，光学涡旋类似流体旋转，它会绕着中心转动，三个或三个以上平面波的叠加便可形成光学涡旋。
基于螺旋相位片产生的涡旋光束和光学涡旋具有复杂性和多样性的特征，还有它们所具有的应用潜力，极大地受到了人们的关注。涡旋光束可以作为光学镊子(光钳)、光学扳手和原子电动机等，这些都可以用于操控某些微观粒子(包括中性原子或分子等)。涡旋光束和光学涡旋的研究领域可谓深远，基于涡旋光束和光学涡旋这一研究课题的基础性和前瞻性，它对光的本性认识具有深刻的影响。维尔克斯光电尽全力为国内的相关应用团队提供服务，希望在未来创造更多有价值的研究成果及应用。
