Chinese Optics Letters 2022年第1期Editors’ Pick：
Yihua Bai, Haoran Lv, Xin Fu, and Yuanjie Yang. Vortex beam: generation and detection of orbital angular momentum [Invited]. Chinese Optics Letters, 2022, 20(1): 012601.
电子科技大学杨元杰研究员团队在 Chinese Optics Letters 2022年第20卷第1期上发表综述文章。不仅对涡旋光束的基本概念进行了介绍，还分别总结了产生和检测涡旋光束的方法，包括传统的衍射元件和平面可集成化元件等，并对未来待探索和发展的方向进行了展望。
动量可以分为线动量和角动量，其中角动量又分为自旋角动量（SAM）和轨道角动量（OAM）两种。有趣的是，光作为一种电磁波，可以同时携带SAM和OAM。其中，SAM对应于圆偏振光，而OAM对应于具有螺旋型波前的涡旋光。对于圆偏振光来说，每个光子携带
的SAM，其中±对应于左旋或右旋圆偏振，为约化普朗克常数。对于具有相位因子的涡旋光，每个光子可携带的OAM，其中为涡旋光束的拓扑荷数。
光子OAM的发现改变了人们利用光的方式，同时揭示了宏观光学和量子效应之间的联系。与常见的高斯光束不同，涡旋光束在相位中心表现出奇异性，导致了中空的强度分布。常见的涡旋光束包括拉盖尔高斯光束、非零阶贝塞尔光束和马修光束等。携带OAM的涡旋光束在显微粒子操纵、大容量空间光通信以及超分辨率成像等多个领域发挥了重要的作用。毫无疑问，涡旋光束的产生及所携带的轨道角动量的检测方法对其应用至关重要。
在过去的三十年内，为了满足不同的需求，已经有多种产生涡旋光束的方法被提出。杨元杰研究员团队综述了涡旋光束的基本产生方法和最新进展，包括传统光学元件（例如模式转换法、螺旋相位板法和全息图法）、数字器件 （例如空间光调制器和数字微镜器件）、光子筛以及近年来新兴的超表面和其它方法（例如激光器等主动产生方法），如图1所示。
涡旋光的产生经历了几个阶段。在早期阶段，Beijersbergen等人通过使用两个柱面透镜产生了涡旋光束，这种方法可以直接将厄米-高斯模（HG）转换为任意阶的拉盖尔高斯模（LG），反之亦然。
此外，螺旋相位板也是产生涡旋光束最高效的方法之一。螺旋相位板是具有螺旋厚度剖面的透明板，其光学高度与方位角成正比，从而产生具有螺旋相位延迟的涡旋光束。同时，螺旋相位板可以产生具有极高转换效率的涡旋光束，但对制造技术的要求较高。
全息图法即利用全息图制作成叉形光栅或螺旋型的光栅，当平面波或高斯光束经过光栅衍射时便可产生涡旋光束。需要注意的是，利用螺旋相位板以及叉形光栅等光学器件只能产生特定拓扑荷的涡旋光束。因此，为了产生不同拓扑荷的涡旋光束，就需要加工不同的光学器件。
随着液晶技术的发展，数字器件因其多功能性而被普遍用于产生涡旋光束。数字器件最大的优势在于产生的全息屏具有可擦写功能，常见的数字器件有空间光调制器（SLM）和数字微镜器件（DMD）。
除上述方法外，二进制幅度掩模也可对光的相位和幅度进行整形，利用光子筛等二进制振幅掩模也能产生涡旋光束。近年来，超表面作为一种等效的二维器件，也可以任意调控光的相位、幅度和偏振等参量。随着纳米制造技术的发展，也使得通过超薄光学器件产生涡旋光束变的更为普及。
图1 涡旋光束的产生方法。(a)传统光学元件(叉形光栅)；(b) 数字器件(空间光调制器)[1]；(c) 光子筛[2]以及(d) 超表面[3]
涡旋光束的OAM作为一种新的自由度，已被广泛应用于光通信等相关领域。在实际应用中，经常需要测量涡旋光束的拓扑荷。杨元杰研究员团队总结了检测OAM的方法，包括干涉和衍射法、几何坐标变换、深度学习以及利用表面等离激元等，如图2 所示。
图2 涡旋光束OAM的检测方法。(a)干涉法[4]；(b)衍射法[5]；(c)深度学习[6]以及(d)利用表面等离激元对OAM模式进行检测[7]
最早被提出检测OAM的方法是干涉法，即用倾斜平面波与涡旋光束进行干涉，从而得到叉形干涉图样。干涉法有马赫曾德干涉仪法和角型双缝等方式。衍射法是将涡旋光束照射到衍射光栅或三角形的光阑等衍射器件上，经过衍射后会出现与OAM相关的特殊图样，通过衍射图可以检测OAM。
此外，利用几何坐标变换分离OAM模式也是一种有效的检测涡旋光束的方法。随着深度学习在图像识别领域的广泛应用，通过采集不同模式的涡旋光束强度图像，采用卷积神经网络训练，可以实现更为准确和高效地检测OAM，而不需要冗余的光学设备。除了上述方法外，利用表面等离激元也可以实现对涡旋光束所携带的OAM进行片上检测，这进一步推动了片上光学器件的发展。
时至今日，涡旋光束依然是光学领域的一个研究热点，蕴含着巨大的应用潜力。尽管调控方法多样，但拓扑荷可调谐的涡旋光束和OAM快速准确的检测仍是进一步拓展其科学应用的关键。希望涡旋光领域能继续蓬勃发展，并在更多的领域实现更为深入而广泛的研究和应用。
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电子科技大学光场调控团队由杨元杰研究员主持，团队现有7位在职教师（杨元杰研究员、刘义东副教授、王建东副教授、刘普生副教授、刘艺副教授、张志红副教授、张庆副教授）、2位博士后和二十余位博士、硕士研究生。团队致力于光场调控、光子轨道角动量（OAM）及基于OAM的光通信研究、光镊、光学微腔及纳米光子学等方向的研究。近年来该团队在Science、PRL、Nat. Commun.、Nano Lett.、Adv. Mater.、Nanophotonics和Opt. Lett.等国际权威期刊上发表论文120余篇。主持国家级项目9项，省部级项目多项。
