图2：不同 l 值下的涡旋光束螺旋波前、相位分布以及光强分布[1]。
图 2 给出了不同 l 值下涡旋光束的螺旋波前、相位分布及光强分布。光强分布图看起来就是一个中间黑、外围亮的“甜甜圈”结构，这是因为中心光强为零，正如台风眼内风速几乎为零；波前图则可以明显看出螺旋结构。
而且 l 越大，光强分布的中心越大圈，螺旋“缠绕”越多。
图3：涡旋光束与台风眼的对比。(来源：AI制图)
如何产生涡旋光束？
正如搅动一杯水会形成漩涡，我们也可以利用光学器件来生成具有轨道角动量的涡旋光束，常见器件包括螺旋相位板 (SPP)、q 波片 (q-plate) 等。
螺旋相位板：可稳定输出一个固定的 OAM 模式，每块 SPP 对应一个特定的角量子数l。对输入偏振没有要求，但更换模式需要更换光学元件。
q 波片：仅适用于圆偏振输入，但可通过调整输入光的圆偏振方向 (左旋/右旋)，实现输出 OAM 模式的快速切换 (±2q)，适用于量子信息、偏振操控等更复杂场景。
q 波片是一种由向列相液晶制成的可实现光束的自旋角动量与轨道角动量交换的偏振调制器件，其通过控制液晶分子主轴在横截面上的不均匀分布，在横截面每一个点上形成一个局部半波片，给被调制光引入几何螺旋相位，从而使得输出光束携带有轨道角动量，即生成了涡旋光束。
极坐标系下 q 波片的液晶主轴在其横截面上的分布规律为：
式中，q 为 q 波片的阶次，取值为 0.5 的整数倍。α0 为 φ = 0 时的初始主轴方向。图 4 给出了不同阶次下的 q 波片的结构，图中实线表示该点液晶主轴的排列方向。
图4：q 波片的结构[2]。
在实验中激光通常发射线性偏振光，而 q 波片只能输入圆偏振光，因此需要先通过四分之一波片 (QWP) 将其转换为圆偏振光，再通过 q 波片产生涡旋光。
当圆偏振光通过 q 波片时，出射光会携带 ±2qℏ 的 OAM。当入射圆偏振光的偏振态改变时，出射涡旋光的偏振态和角量子数 l 的符号会相应改变。对 q = 1 的 q 波片，由于其结构的圆对称性，入射光与出射光的总角动量得以守恒。
图5：q 波片将圆偏振光转换为涡旋光[3]。
涡旋光束干涉及其应用
干涉是光学中的重要现象之一，指的是两束或多束光相遇时，它们的振幅叠加产生明暗交替的现象。那么，当两束涡旋光相遇，会发生什么神奇的现象？
涡旋光束干涉实验一般采用马赫-曾德干涉仪 (MZI) 光路，在 MZI 中加入一种称为“道威棱镜”的光学器件，可实现对涡旋光束模态的“反转”，即 l → −l，例如：
当一个具有轨道角动量的光束与其反向模态 (如 l 与 −l) 发生干涉时，会出现花瓣状的干涉图样，花瓣的数量 n 为：
例如：
如图 6 所示，分别对应 l = 1、l = 2、l = 3 的花瓣数 (n = 2、n = 4、n = 6)。
图6：从左往右依次为 l = 1、l = 2、l = 3 [1]。
图 7 是涡旋光束干涉实验示意图，其中 1 是激光光源，3 是 q 波片，生成涡旋光束后进入马赫曾德干涉仪，经过偏振分光棱镜 (PBS) (6) 被分为两路：第一束光经反射镜 (9) 进入 PBS (12)，7 是楔角片，用于改变光程，安装在手动位移台 (8) 上，在精密测量实验中会用到，这里可以忽略；第二束光在进入 PBS (12) 之前会经过道威棱镜，得到第一束光的反向模态，双路涡旋光束等强度合束后，形成的矢量光场经过检偏会具有花瓣状结构。
图7：涡旋光束干涉实验示意图。(来源：九章量子)
由于涡旋光束具有轨道角动量和螺旋相位结构的独特特性，广泛应用于精密测量和量子实验中。例如，可以利用涡旋光束干涉进行楔角片厚度测量以及利用涡旋波片进行偏振控制的控制非门 (CNOT) 实验。
九章量子具备自主知识产权的涡旋光束干涉系统，可全面支持上述实验的开展。该系统不仅可用于观察不同模式涡旋光之间的干涉，还可演示涡旋光与平面波、球面波之间的干涉现象，内容涵盖从基础光学现象到量子逻辑门实验，层层递进，帮助学生深入理解涡旋光的物理特性与应用。
涡旋光束干涉系统适用于量子光学、量子计算、光学测量与传感、光通信等多个学科领域及相关课程。
图8：九章量子涡旋光束干涉系统。(来源：九章量子)
图9：实验结果。平面波与涡旋光干涉图样 (左)；涡旋光干涉图样 (右)。(来源：九章量子)
借助九章量子涡旋光束干涉系统，我们不仅能够深入理解涡旋光束的特点，还能将其用于精密测量、量子计算等前沿领域。值得一提的是，在第十二届全国高校物理实验教学研讨会仪器评比中，该系统荣获近代物理实验仪器一等奖，其教学价值和实验设计获得专家一致认可。
图10：涡旋光束干涉系统荣获近代物理实验仪器一等奖。(来源：九章量子)
欢迎广大教学与科研工作者体验这款融合了知识性、趣味性与实验性的创新系统，让更多人走进“光的漩涡”世界！
参考文献：
[1] Liu P, et al. Orbital angular momentum beams research using a free-electron laser oscillator[R]. Proceedings of IPAC2024, 2024, https://doi.org/10.18429/JACoW-IPAC2024-WEAD2.
[2] Marrucci L, Manzo C, Paparo D. Optical spin-to-orbital angular momentum conversion in inhomogeneous anisotropic media[J]. Physical review letters, 2006, 96(16): 163905.
[3] Arcoptix. The Arcoptix Variable Spiral plate (VSP)[EB/OL]. (2024) [2025-04-23]. https://arcoptix.com/pdf/The%20variable%20spiral%20plate%20description.pdf.返回搜狐，查看更多