涡旋光的波阵面既不是平面也不是球面，而是类似漩涡一样，是一种连续螺旋相位分布的光束。由于其相位因子exp(ilθ)（其中l为涡旋光的阶数或拓扑荷数，θ为方位角）相位变化2π就是沿着方位角绕光束的中心转一圈。由于相位的螺旋，该光束的中心光强分布为零，被称为相位奇点，在传输过程中中心光强仍会保持为零，因此涡旋光束也被称为暗中空光束。
普通单色光的光表达式为[1]
式中，E0是振幅，k是波矢量，z是传播距离，而拓扑荷为的涡旋光的光表达式为
通过对比式（3-1）和（3-2）可以看出，相对于普通光，涡旋光仅仅多了一个相位因子，这个相位因子表达了涡旋光是沿着z方向上传播形成了螺旋式的波前，环绕光轴一周后波前的相位改变了[1]。
光学涡旋主要被应用于光学微操纵技术。与传统方法相比，光学微操纵具有无接触、无损伤、可靠性高、重复性高、精度高等特点，光子在对微观粒子的微操纵方面具有自己独特的优势。因此，基于涡旋光束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，并可以不断挖掘发现其潜力。
涡旋光束的生成方法有很多。最早是在激光谐振腔内直接产生，但是这种方法产生的涡旋光束不稳定，且对谐振腔的要求高。
模式转换法是运用两个柱面透镜在不含轨道角动量的厄米高斯光束（Hermite-gaussian，HG）上引入相位因子exp(ilθ)，转换成携带轨道角动量的拉盖尔高斯光束（Laguerre-gaussian，LG），该方法的转换效率高，但是器件制作比较困难，并且生成涡旋光的种类和拓扑荷不易调控。
螺旋相位板法是通过改变出射光束的相位，使得生成的光束具有螺旋特征的相位因子，因而生成涡旋光束。
计算全息法是利用计算机编程生成全息图，该方法可以搭配空间光调制器使用，使得生成的涡旋光种类和参数可以调控，但是无法得到高功率的光束。
随着光通信的发展，为提高光通信的容量，直接在光纤里产生涡旋光束的方法便应运而生。李懋等人[1]基于计算全息技术，在实验中实现了涡旋光束的生成并将其用于对酵母菌细胞的微操纵实验，实验发现涡旋光束的梯度力确保了粒子被捕获在光环上，轨道角动量实现粒子的旋转，并且发现随着拓扑荷值增大，酵母菌细胞平均速度增加。张晓强[2]研究了光纤中涡旋光束的产生与调控，孙培敬[3]研究了光纤中产生矢量涡旋光束。
基于涡旋光的特点，涡旋光得到广泛的研究。孙顺红等人[4]通过理论和实验生成了双涡旋光束，双涡旋光束的双环携带不同的轨道角动量，并且可以相互独立传输；肖谦裔等人[5]研究了超高斯涡旋光束，发现同一拓扑荷和传输距离时，高斯涡旋光束的能量比超高斯涡旋光束的要发散。
接下来将介绍通过两种方式来生成涡旋光束：位错光栅法和螺旋相位板法。其中位错光栅法属于计算全息方法。基于获得的各级半径不同的涡旋光束，可以进一步搭建光镊实验平台，并利用光镊平台捕获、操纵、旋转和囚禁各种不同尺寸和种类的微纳米粒子，拓展光镊操控范围，为光镊、光旋转、光囚禁及纳米技术的进一步发展提供了理论和技术支持。利用空间光调制器搭配UPOLABS的光场调控软件生成涡旋光束，光路简单，容易操作，下面将介绍用位错光栅和螺旋相位板分别生成涡旋光。
a、涡旋光束的生成—位错光栅
位错光栅是一种利用计算全息技术来获得涡漩光束的方法，利用螺旋波中心光强为零的特点与平面波进行干涉即可获得位错光栅结构的性质。对于涡旋光束，当两列波函数干涉后的强度分布为：
I = | Eov + Epl |2 =2E0[1+cos(2πx/Λ) - lΦ]
上式中， Λ为平面波的空间周期，Φ为极坐标下的方位角，l为涡旋光束的拓扑荷数。将这个强度分布加载到液晶空间光调制器上，则在极坐标下，其透过率定义如下：
T(p,φ) = ½[1+cos(2πxlΛ-lφ)]=½[1+cos(2πxlΛpcosφ-lφ)]
该透过率函数就是干涉条纹的能量分布，将其转化为灰度图，即对应于0~255的灰度分布函数，从而得到不同参数的灰度图，这种带有能量分布信息的灰度图就是计算出的位错光栅图。当高斯平面波照射这种位错光栅后，经过光栅的出射光束其远场衍射光束就具备暗中空特性。在实验过程中，通过改变Λ和l的值，就可以得到不同空间周期和不同拓扑荷数的灰度图。将这些灰度图加载到液晶空间光调制器上，就可以得到不同拓扑荷数的涡漩光束。在实验中，拓扑荷数和周期不同，得到的光束结果将不同，通过实验现象来让我们进一步理解涡漩光束：
（1）拓扑荷数越大，得到的空心光束其空心直径越大；
（2）空间周期（即光栅间距）越小，其不同衍射级的距离越大；
利用位错光栅生成的涡旋光
b、涡旋光束的生成—螺旋相位板
生成涡旋光束的另一种方法是利用螺旋相位板。如图3.2所示，螺旋相位板是一种折射率为n0的螺旋形状的透明板，其厚度与绕相位板中心的方位θ成正比，螺旋状表面类似于一个旋转台阶，当光束通过这种透明板时，相位板的折射率和周围介质的折射率不同将引入附加光程差，使得透射光束被赋予一个螺旋相位因子，螺旋相位板的透射函数为：
T(φ) = exp(jnφ)
式中：n为拓扑荷数，它对应一个光学波长内相位旋转的圈数，一般为整数，φ为光束通过相位板发生的相位改变。
螺旋相位板的结构示意图
当光束通过螺旋相位板后，其相位以方位角为参数绕轴心改变，从而在光轴方向上形成螺旋形相位分布，在远场衍射成中空暗核光斑。
基于上述基本原理，利用空间光调制器的相位调制能力来实现动态计算螺旋相位板。利用计算灰度图来模拟螺旋相位板，然后加载到液晶空间光调制器实现对光束的相位调制，从而使得光束在传播方向上形成相位的螺旋分布，得到中空暗核光斑。计算灰度时，以中心为极坐标，当方位角φ改变时，灰度值变化为：
Gray = G·exp(jnφ) （3-6）
式中，G代表空间光调制器的相位能力，一般是指空间光调制器对应某一波长下调制深度为2π时的灰度值，n为拓扑荷数。
利用螺旋相位版生成的涡旋光
参考文献：
1.李懋,高文禹,马鑫,等. 涡旋光束对酵母菌细胞光操纵特性研究.[J]. 激光杂志,2019
2.张晓强.光纤中涡旋光束的产生与调控.[D]. 中国科学技术大学,2016
3.孙培敬.光纤中矢量涡旋光束的产生.[D].哈尔滨:哈尔滨理工大学,2016
4.孙顺红.双涡旋光束的理论与实验研究.[D]华侨大学,2012
5.肖谦裔,张蓉竹.超高斯涡旋光束在空间中的传输特性.[J].强激光与粒子束.2014,26(12):121015