从“光学涡旋”到“涡旋光束”

涡旋是自然界最常见的现象之一，它普遍存在于水、云及气旋等经典宏观系统中，也存在于超流体、超导体及波色–爱因斯坦凝聚等量子微观系统中，被认为是波的一种固有形态特征。

▲ 潮汐中的漩涡现象

人们在研究潮汐运动时，发现在潮汐的漩涡中存在一种特殊的点。当潮汐与等潮线接触时，潮汐峰就会消失，通过这一现象就可以看出在潮汐波中存在奇点，即存在光学涡旋。

• Richaeds 等和Boivin 等发现在消球差透镜的焦平面处会形成一种奇异环，并通过实验发现在该焦平面处存在一个由于线旋转而产生的光学涡旋，证实光波场中也存在光学涡旋。

• 1973 年，Carter利用计算机对奇异环的特性进行模拟研究，结果发现光束受到轻微扰动就可以使得奇异环产生或者消失。

• 1974 年，Nye 等在散斑场的研究中发现在海水声波中存在相位奇点，并首次将奇点的概念推广到电磁波领域。

• 1981 年、1982 年，Baranova等发现在激光光斑上存在随机分布的光学涡旋，并通过实验发现在散斑光场中产生光学涡旋的概率在一定条件下是可以测定的，但是不会产生高阶拓扑荷数的光学涡旋场。

• 1992 年，Swartzlander 等通过理论和实验研究发现在自聚焦介质中存在光学涡旋孤子，且光学涡旋弧子在传输过程中与非线性介质会产生相互作用，这一发现对光学涡旋的传播具有很大的贡献。

• 1998 年，Voitsekhovich等在一定起伏条件下，详细研究了相位奇点数目密度的特性，结果表明相位奇点数目密度具有一定的统计分布，并不是一个特定的值，并且该统计分布与振幅空间导数的概率分布有关。

▲ 光学涡旋场

到了21 世纪，由于光学涡旋所涉及的研究领域进一步拓展，人们对光学涡旋的认识达到了新的高度。涡旋光作为波动的一种形式，不仅具有自旋角动量，而且具有由于螺旋形的相位结构而产生的轨道角动量(orbital angular momentum, OAM)。这种携带OAM 的光束被称为“光学涡旋(optical vortice)”。光学涡旋是一种独特的光场，它的特殊性主要表现在其特殊的波前结构和确定的光子OAM上，上图所示为光学涡旋场的螺旋相位、光强分布和相位分布。光学涡旋场中光子OAM 对原子、分子、胶体颗粒等物质的传递，可实现对微观粒子的亚接触、无损伤的操纵；同时，涡旋光束因其具有的拓扑荷数，在射频及量子保密通信等领域也具有重要的潜在应用价值。

与传统光通信相比，携带轨道角动量的光束具有新的自由度，使得轨道角动量复用技术在提高系统的信道容量和频谱利用率方面具有独特的优势，通过对OAM光束复用特性的研究可以更加直观地了解OAM 复用光束。

无线光通信，即自由空间光(free-space optical, FSO) 通信，是一种以激光为载体，可进行数据、语音及图像等信息传递的技术。由于大气对光信号的吸收和散射，空间中传输的光束产生衰减；大气湍流效应引起激光光斑的漂移、闪烁及扩展现象，造成较大的误码率甚至通信中断。传统的信道编码方式虽然可以抑制湍流，但是在强湍流和浓雾等情况下，传统的通信方式并不能满足复用通信的需求。人们需要一种新技术以提高信道容量和频谱利用率。在现有的复用技术中，频率、时间、码型、空间等资源的利用都已被发挥到了极致，受波在自由空间和光纤中信息调制格式的限制，信息在自由空间和多模光纤(multimode fiber, MMF)网络间不能互操作，因此难以完全满足网络容量和通信安全需求。为了增加信息传输容量、提高频谱效率，并建立一个可靠性高、安全性好的通信网络，OAM 复用技术被广泛关注。

▲ 轨道角动量复用通信系统模型

为了提高通信系统的信道容量，携带轨道角动量的涡旋光束以一种新的复用方式出现，可从根源上解决复用通信中的速率和信道容量问题。为了实现轨道角动量复用通信，需要实现相应关键技术的突破：轨道角动量涡旋光束的产生、自由空间传输特性及接收端光束的分离和检测等。

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（柯熙政,丁德强著. 2 版. 北京:科学出版社, 2023.9）一书是西安理工大学光电工程技术研究中心集体研究的成果。本书主要围绕轨道角动量复用通信的关键技术，对涡旋光束的产生、传输、检测及应用进行介绍，对一系列产生涡旋光束的方法进行详细的描述和对比；以拉盖尔-高斯光束和贝塞尔-高斯光束为主，介绍涡旋光束在大气湍流中的传输特性；利用涡旋光束的叠加态、干涉、衍射及光栅，实现涡旋光束拓扑荷数的检测；介绍涡旋光束在光通信中的应用及部分相干涡旋光束在大气湍流中的传输特性；介绍涡旋光束信息交换及信道重构。

本书对第一版第5 章和第6 章内容进行了部分修改，同时针对研究热点，增加了大气湍流中部分相干涡旋光束阵列、标量部分相干涡旋光束、矢量部分相干涡旋光束的传输特性和涡旋光束信息交换等研究内容，丰富了涡旋光束整体的研究体系。本书的出版工作得到陕西省重点产业创新链项目(2017ZDCXL-GY-06-01)等的资助。

本文摘编自《涡旋光束的产生、传输、检测及应用》（柯熙政,丁德强著. 2 版. 北京:科学出版社, 2023.9）一书“前言”“第1 章绪论”，有删减修改，标题为编者所加。

ISBN 978-7-03-074521-7

责任编辑：宋无汗，15902971152

郑小羽，18049634557

本书可作为高等院校通信、光学等相关专业高年级本科生、研究生的参考用书，也可作为相关专业研究人员和工程技术人员的参考用书。

（本文编辑：刘四旦）

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