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光學(xué)旋渦是一種具有螺旋相位結(jié)構(gòu)和確定軌道角動量的特殊光場，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在很多領(lǐng)域，如光鑷、粒子操控、量子信息傳輸?shù)阮I(lǐng)域。螺旋相位板則是獲得渦旋光簡單、直接的方法，通過該器件的光束可以很方便地轉(zhuǎn)換為具有不同空心暗環(huán)大小以及不同旋向的光束。渦旋光束的相位波前呈螺旋形分布，波矢量具有方位項，傳輸?shù)墓馐哂熊壍澜莿恿?，繞著渦旋中心旋轉(zhuǎn)。在這個螺旋相位的中心，相位是不確定的，場振幅也消失了，因此渦旋光的中心形成了明顯可見的暗環(huán)，中心光強為零，且在傳播過程中也持續(xù)保持中心光強為零。
螺旋相位板（SPP）是一種光學(xué)厚度與旋轉(zhuǎn)方位角成正比的純相位型衍射光學(xué)元件，螺旋相位板呈螺旋狀分布，入射光通過SPP后出射的光具有螺旋相位波前，中心具有相位奇點，場強為零。理想的螺旋相位板的相位改變是連續(xù)的，高度隨著旋轉(zhuǎn)角度θ的增加而線性增加。但由于工藝技術(shù)限制，實際的SPP是階梯型的，其相位改變不再連續(xù)，厚度的線性增加是階梯狀的。如下圖所示，類似于一個旋轉(zhuǎn)臺階，臺階高度為h，臺階高度為h0，入射光通過SPP產(chǎn)生的相位延遲為：
軌道角動量（OAM）的特征值，又稱拓撲荷數(shù)m，可取任意整數(shù)，表示光學(xué)旋渦繞軸一圈其相位變化為2π的整數(shù)倍。其表達式為：
式中：n—SPP的折射率，n0—周圍介質(zhì)的折射率，λ—入射波波長，h—臺階厚度，h0—SPP的基底厚度，SPP厚度h = h0+ h(θ/2π)。
當(dāng)一束平面波通過SPP之后，將會形成如下圖所示的渦旋光束，在固定的接收平面，可以觀察到明顯的中心暗環(huán)，暗環(huán)半徑與SPP的拓撲荷數(shù)m相關(guān)，如下圖示例。
利用SPP獲得的渦旋光束，傳輸距離不同的時候中心暗環(huán)會隨之增大，同時，通過在光路中采用不同拓撲荷數(shù)的SPP也可以獲得不同尺寸的暗環(huán)大小，另外，將不同拓撲荷數(shù)的SPP疊加也可以實現(xiàn)這一目的。正是利用這一特點，當(dāng)我們可以隨時掌控具有軌道角動量的渦旋光束的暗環(huán)直徑時，其在光鑷系統(tǒng)中對各種外徑微粒進行精密操控具有重大意義。
此外，在無線光通信中，攜帶軌道角動量(Orbital Angular Momentum, OAM)的渦旋光束以一種新的復(fù)用方式出現(xiàn)，與時分復(fù)用、碼分復(fù)用、頻分復(fù)用等復(fù)用方式類似，為解決復(fù)用通信中速率和信道容量問題提供一種手段。如下圖所示，這也是渦旋光束的一個非常有意義的應(yīng)用方向。
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