Till minne av 30-årsdagen av förutsägelsen av optiska virvlar, forskare i Kina – Xing Fu vid Tsinghua University, Xiaocong Yuan vid Shenzhen University och medförfattare – granskade den 30-åriga utvecklingen av förståelsen och tillämpningarna av dessa spännande fenomen.

Virvlar är vanliga fenomen som finns i naturen, från kvantvirvlar i flytande kväve till havscirkulation och tyfonvirvlar och till och med spiralgalaxer i Vintergatan. Virvlar finns också inom optik, vars koncept först föreslogs av teoretisk fysiker Pierre Coullet och kollegor [ Välja. Commun. 73, 403 (1989)] för trettio år sedan. Hittills, på grund av deras fantastiska strukturer, optiska virvlar (OV) har skapat enorma avancerade tillämpningar som optisk pincett, kvantsammanflätning, och icke-linjär optik, i alla delar av modern optik.

Författarna delade upp den 30-åriga utvecklingen av OV i tre stadier:de första 10 åren är det grundläggande teoristadiet att nya fysiska koncept och nya fysiska fenomen lades fram under detta stadium, såsom topologisk laddning, fassingularitet, virvelgitter, orbital vinkelmoment (OAM), och virvelstrålar med en spiralvågfront, som lade solida teoretiska grunder för de efterföljande vetenskapliga tillämpningarna.

De andra 10 åren är applikationsutvecklingsstadiet som, på grund av egenskaperna hos den singulära fasen av OV och höga dimensioner av OAM, optiska virvlar ger en unik typ av ljuskällor med överlägsen prestanda för tillämpningar av kvantteknologi, optisk pincett och partikelmanipulation, superupplöst bildbehandling, biomedicinsk och kemisk detektion, optisk kommunikation med hög kapacitet etc.; De senaste 10 åren är det tekniska genombrottsstadiet där metasurface har fört OV till nanoskala, OAM-multiplexering har utökat kapaciteten för optisk kommunikation till terabit- till och med petabit-nivå, och förbättrad avstämning av OV har realiserat nya olinjära och kvantfenomen, driver OV som ett av de hetaste vetenskapliga ämnena.

I denna recensionsartikel, de förklarade också hur konceptet med optiska virvlar uppstod från observerade likheter mellan beteendet hos vätskevirvlar och vissa former av laserljus. Ljusvågorna från optiska virvlar vrids runt deras färdriktning, med en punkt med nollintensitet i mitten. Författarna undersökte den stadiga förfining av tekniker som används för att skapa optiska virvlar, och utforska deras tillämpningar. De betonade att avstämbarheten av OV inkluderar inte bara den spektrala och tidsmässiga avstämningsförmågan utan också OAM-, kiralitet-, topologisk-laddning-, och singularitetsfördelningsavstämning. Framstående applikationer inkluderar sofistikerade optiska beräkningsprocesser, nya mikroskopi och avbildningstekniker, skapandet av "optisk pincett" för att fånga upp partiklar av materia, och optisk bearbetning med hjälp av ljus för att mönstra strukturer på nanoskala.