光学青年 | 有束光，有点旋……

最近，有一篇学术论文备受关注，准确地说，是今年6月28日国际顶级学术期刊《科学》（Science）上发表的Rego等人撰写的题为“Generation of extreme-ultraviolet beams with time-varying orbital angular momentum ”的文章[1]，国内诸多媒体均有报道。很显然，该论文成功地将“光学涡旋”和“光子轨道角动量”等此前仅限于学术圈中流传的专业词汇推向大众，使很多普通民众都在议论这种可以螺旋传播的光。因此我们今天也来谈谈这种神奇的光。

光一定沿直线传播吗？

光沿着直线传播是我们从小就知道的常识。但是这年头，不光特某普经常不按常理出牌，就连光也常常不按常理传播。当今的光束，在光学专家的手里被调教得十分任性，想怎么传播就怎么传播。到底可以怎么传播的，请往下图看：

图1 不同类型传播方式的光束. (a)Airy光束[2]；(b)Weber 光束[3]；(c)蛇形光束[4]；(d)螺线管光束[5]

是的，您没有看错，光线可以不按直线传播，像平抛运动一样弯着走（图1(a)），这种光束叫做Airy光束。还可以弯的更夸张一些，直接上山下山，像图1(b)那样传播。也可以走蛇形步，甚至像螺线管一样缠绕着走。需要注意的时，这些光束都是在自由空间传播的，并不是在特殊的介质中。是不是很诡异？其实，这只不过在光学专家们对光束的初始参数进行了一定的调制，加入了特定的幅度或相位信息，然后他们就乖乖地按照我们设计的路线走了。这些经过特别调制的光束，通常称为结构光束。

 前面提到的这几种结构光束，虽然新奇，且有一定的应用前景，但是相比另一种结构光束而言，就略显失色了，那就是——涡旋光束。当然，前面的几种光束，也可以转变成涡旋光束，那是后话。

 近日Science报道的那篇文章，研究内容就是涡旋光束。但需注意的是，这篇文章不是第一个研究涡旋光束的文章（近期的一些新闻媒体上的报道似乎隐含这是第一篇研究螺旋光束的文章，容易引起误会）。

英国人Nye和Berry早在1974年就开始对涡旋现象进行了较为系统的研究[6]。而光学涡旋(Optical vortex)的概念，是由来自法国的Coullet等人在1989年首次提出的[7]。光学涡旋，指的是在光束中存在的类似于水漩涡的现象。在漩涡周围的相位呈螺旋状，也就是说相位沿着角向连续变化，而沿着径向方向的相位是相等的，如图2(a)所示。

问题来了：各个径向（表示不同的相位）的直线将共同汇聚于中心处，那么中心处的相位到底该等于多少呢？

这个问题没人知道，不能确定。自然界很神奇，为了避免争议，干脆让中心处的相位成为一个奇点，就是不存在的点。于是，我们就看到了对应光强中心有个暗斑（图2(b)）。人们将这种中心存在相位奇点的环形光束称为涡旋光束。这种光束表面上看还是沿着直线传输，但实际上它不是简单的直线，而是像天津大麻花一样，旋转着往前走，只不过常见的涡旋光束的强度分布都是圆对称的，单从强度上我们不容易观察到这种旋转。

  图2 涡旋光束的相位(a)和强度(b)分布图

在刚开始，Berry和Coullet等人研究涡旋光束，基本上是出于好奇，其实不知道这玩意儿到底有啥用。在1992年的时候，一个重量级的文章，平地一声惊雷，彻底地点醒了各位光学涡旋爱好者。

英国人Allen和他的荷兰的同事们，发现了这种具有螺旋相位的涡旋光束可以携带量子化的轨道角动量[8]。圆偏振光束的光子具有自旋角动量，这是Poynting在1909年就发现的[9]。时隔80余年，Allen等发现，与地球类似，光子不但可以有自旋角动量，还可以有轨道角动量，并且轨道角动量的大小是可以任意加载的，理论上可以无穷大。这还得了，马上炸开了锅。迄今为止，涡旋光束已经成功地运用在微纳粒子的光学操纵（即2018年的获得诺贝尔物理奖的光镊技术）、光通信、量子通信及成像等多个领域。

Science的文章到底有啥创新？

早些年，通常认为涡旋光束的轨道角动量是恒定的。光子轨道角动量是不会随传输距离而变化，也不会随时间而变化。但是最近，这些认识逐渐在发生着变化。2018年初，杨元杰课题组和蔡阳健课题组合作，提出了一种光子轨道角动量随着传输距离连续变化的奇异涡旋光束[10]，所采用的实验也十分简单，让一束平面波光束（或高斯光）照射一个螺旋型的狭缝，在衍射场即可得到这种轨道角动量随传输距离而连续变化的涡旋光束。

Science发表的这篇文章指出，Rego等人[1]利用超短脉冲的非线性效应，成功地产生了一种轨道角动量随时间而变化新颖光束（他们称之为自扭矩光束），结束了之前的轨道角动量都是静态的历史，意义非凡。

图3 产生轨道角动量随时间连续变化的涡旋光束的示意图[1]

如图3所示，Rego等人采用了一种非常巧妙的构思，实现的轨道角动量的动态调控。他们将两个特别挑选的线偏振涡旋飞秒脉冲光束，以一定的时间延迟进行叠加。以图3为例，两束波长800nm的红外超短脉冲涡旋光束的拓扑荷ℓ1和ℓ2 分别为1和2，中心频率相同，脉冲宽度相同，且两个脉冲之间的时间延迟也与脉宽相等。并且对两个脉冲光束的束腰也做了要求，让两个亮环的空间尺寸相等，从而保证最优化地叠加。

这样，这两个涡旋光束便可以叠加形成一个独特的脉冲包络，该包络的前沿半个脉宽时间内以拓扑荷ℓ1的光束为主；在中心区域一个脉宽的时间内，是这两种光束加权叠加的结果；而包络后沿的半个脉宽时间内，主要以拓扑荷ℓ2的第二个光束为主。然后，将叠加后的光束聚焦打入氩气靶室，利用非线性效应产生17次谐波，从而得到了极端紫外涡旋光束。

我们知道，涡旋光束产生的高次谐波的轨道角动量可以倍增，即q次谐波的轨道角动量为qℓ。另外，由于叠加的脉冲包络中的轨道角动量成分是动态变化的，即nℓ1+ mℓ2, 其中n+ m=q. 因此，产生的高次谐波的拓扑荷随着时间的变化依次为17ℓ1+ 0ℓ2=17, 16ℓ1+ 1ℓ2=18, 15ℓ1+ 2ℓ2=19, 14ℓ1+ 3ℓ2=20, ……, 0ℓ1+ 17ℓ2=34. 即轨道角动量可以随着时间在一定范围内连续变化。因此，产生轨道角动量随时间连续变化的极端紫外脉冲涡旋光束，是该论文的最大创新点。

该文作者强调说文中的脉冲包络虽然是两个脉冲的叠加，但是叠加后形成的是同一个光束。因此，是同一个光束的轨道角动量随着时间连续变化，这个与之前曾经发表过的采用多个不同轨道角动量的脉冲序列“拼接”而成的随时间动态变化的光束有着本质的不同。除此之外，该文还报道了他们的方法可以产生精确角向调控的极端紫外光频束。

光，看得见，摸不着。时至今日，我们的对光的认识还十分有限。她的神秘将吸引我们继续努力的去探索，我们也将通过了解光来认识世界。这篇文章在学术界产生反响的同时还引起了民众的关注，一定程度上提高了民众的科学素养，善莫大焉。

作者简介：

    杨元杰，电子科技大学研究员，博士生导师，电子科技大学“光场调控”团队负责人，四川省学术和技术带头人后备人选。2008年毕业于四川大学并获得博士学位。先后在英国圣安德鲁斯大学、英国约克大学、新加坡国立大学开展博士后研究工作。主要从事涡旋光束与涡旋电子束的产生及测量方面的基础研究，提出了反常涡旋光束和反常贝塞尔光束模型，发现了螺旋对称结构中的OAM选模原理等有趣的规律和现象。

参考文献：

[1] L. Rego, et al., Generation of extreme-ultraviolet beams with time-varying orbital angular momentum, Science 364, 1253 (2019).

[2] G. A. Siviloglou and D. N. Christodoulides, Accelerating finite energy airy beams, Opt. Lett. 32, 979 (2007).

[3] P. Zhang, et al., Nonparaxial Mathieu and Weber accelerating beams, Phys. Rev. Lett. 109, 193901 (2012)

[4] J. Morris, et al., Realization of curved Bessel beams: propagation around obstructions. J. Opt. 12, 124002 (2010).

[5] S. Lee, Y. Roichman and D. G. Grier, Optical solenoid beams, Opt. Express 18, 6988 (2010).

[6] J. F. Nye and M. V. Berry, Dislocations in wave trains, Proc. R. Soc. Lond. A Math. Phys. Sci. 336, 165 (1974).

[7] P. Coullet, G. Gil, and F. Rocca, Optical vortices, Opt. Commun. 73, 403 (1989).

[8] L. Allen, M. W. Beijersbergen, R. J. C. Spreeuw, and J. P. Woerdman, Orbital angular momentum of light and the transformation of Laguerre-Gaussian laser modes, Phys. Rev. A 45, 8185 (1992).

[9] J. Poynting, Proc. R. Soc. Lond. A Ser. A 82, 560 (1909).

[10] Y. Yang, X. Zhu, J. Zeng, X. Lu, C. Zhao and Y. Cai, Anomalous Bessel vortex beam: modulating orbital angular momentum with propagation. Nanophotonics, 7, 677 (2018).

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