如何看待光线能以螺旋方式传播？将有哪些应用？

如何看待光线能以螺旋方式传播？将有哪些应用？

谢邀，做的方向和这工作有些交集，简单翻了翻文章，说说我的理解。

首先，所谓的光能以螺旋方式传播，这个人们早就知道。傍轴近似，解极坐标下的亥姆霍兹方程，我们能得到一系列本征解，这就是Laguerre-Gaussian模式，它有两个参数l和p。当l和p均为0，就得到了高斯光束；而当l不为0时，这个光束表达式中会出现一个和极角有关的相位项 这个相位能带来角动量的属性，这就是所谓的“以螺旋方式传播”的由来。相位表达式中 被称为拓扑荷，取整数。从下面这个十分经典的示意图可以看到这个相位是怎么对应到光束上面的

值得注意的是，轨道角动量和自旋角动量截然不同，对于刚接触这个概念的人的确容易和圆偏光搞混。其区别是，圆偏光的电场矢量沿着光的传输方向打旋，而在和传输方向垂直的截面上，各点相位相同；OAM则是在截面上，光场相位和相对于中心点的极角有关。从这里我们便可以看出，由于截面中心位置是 相位的连续叠加，故在中心处会产生一个干涉相消的区域，且 越大，空洞区域越大。

下面简单谈谈我对这个工作的理解（只是简单浏览了一下文章，如果有不恰当的欢迎指出）：这个工作利用了高阶Harmonic Generation（HHG）实现了轨道角动量这个自由度的演化。Harmonic Generation过程说白了就是和频过程，这是个非线性过程。在这个过程中，如果输入光场是 ，则会产生 这样的输出。可以看出，如果输入的两个光场分别带有轨道角动量 , ，则会产生 的输出。harmonic generation这个过程在光的路径上随时可能发生，又由于在这里工作物质是气体，我的理解是气体的各项同性使得相位匹配条件不再是一个很strict的东西，也就是说在光传输的过程中，原始的光场以及通过harmonic generation产生的次级光场会接着相互作用，从而像滚雪球一样把OAM谱的平均拓扑荷越滚越大。

至于意义，去看新闻里面咋说的就行了，这个事情做过科研的都懂。。。

遇到专业范围内的问题了，虽然 @少司命 已经介绍的很不错了，我还想再补充几点：

综上，光子的轨道角动量是不是就是意味着光子以螺旋形式传播，我也没想清楚。。。。这个工作不谈其他应用，只是说其发现了轨道角动量会随着时间变化而变化也是一个非常有趣并且引人深思的结果了。

我是做器件的，不是学的理论，所以想法可能有误，并且我也没去看论文（反正也看不懂），所以就凑合讲讲。

光有很多种描述的方式，对我来说ray optics最简单。

我觉得文章貌似讲的是这种漩涡？

这个貌似叫光漩涡（optical vortex)，维基百科上说是 （我随口翻译的）

光像开瓶器一样螺旋的前进，围绕着一个中心轴。因为螺旋，所以中心轴部分的光会相互作用然后消失。有一个数叫拓扑电荷，可以用来描述光在一个波长里面扭曲（twist)了多少次。数量越高，光围绕着中心轴转的次数越多。

我觉得就是上图的正负整数。

光漩涡可以用螺旋相位板（spiral phase plate) 来取得。（当然还有别的方法，我不太清楚）

应用得话，我记得在超分辨率显微镜（super resolution microscope)里面有一种可以用到这种技术。应该就是一个大的激光光束打到物体上（大圆），能级跃迁，然后通过这种有圆孔的光叠加（有孔的圆），让被激发的电子跃迁到别的能级上，从而获得中间没有叠加的一部分的区域（孔）的信息。 可能说的不对，因为是2年前学的内容了。

然后光子本来就不能算是按直线传播的吧。空气中有各种粒子去散射这些光，光子的运动方向很有可能就已经改变了。

包括激光器，我记得有个包括激光器，我记得有个rayleigh zone，在这个区域内光有最小直径，约为半波长（？）然后超出范围光会扩散。

https:// en.m.wikipedia.org/wiki /Optical_vortex

Fabio Antonio Bovino, Quantum like representation of aSpiral Phase Plate, arXiv (2011)

这件事就跟如何看待 高中物理 不及格的雷奕安可以担任北大物理系副教授一样看待就行了：

下图出自 雷奕安自己的抵赖文章 ：

哈哈哈！什么优秀回答者我不认识，但你雷奕安的作为是怎样倒是很明显！

听雷奕安的话是懂得“不人身攻击是基本的交流准则”的，看雷奕安做的事嘛hhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhh

雷奕安副教授表演这种自娇行为艺术已经很熟练了，再举一例（感谢 @十酒三 提供出处： 芝士回答雷奕安是本人吗？他的学术水平如何？ ）

至于雷奕安对此事的看法，大家当做笑话就行了：

且不说第一句有多自77人，圆周运动有轨道角动量是常识，匀强磁场没有中心势也是常识

雷奕安为了防止评论区的人揭穿他的面目，早就 删除拉黑了各方正直之士，阻碍他们发表评论 。幸好有芝士回答文章功能：

媒体又晚了一步⋯⋯ 光线早在 92 年的时候就可以「螺旋形传播」了 23333。我顺着这个 science 找到了这篇文章 https:// doi.org/10.1103/PhysRev A.45.8185 。

这篇文章简单地说就是指出光的轨道角动量和自旋是两个独立的物理量，自旋很简单就是偏振。而轨道角动量可以由某种高斯光束在柱坐标高阶展开得到，具体的数学我也没看，反正大概就是和球协函数类似的某种正交完备基。然后文章给出了动量流密度的公式

// 很显然这种光在中心的强度必须是 0，否则宇宙会自爆~~ ← 我瞎说的

可以看出当 的时候动量有切向分量，所以这玩意的坡印亭矢量长这样：

对，这就是「螺旋形传播」的光了。不知道当年有没有媒体搞个大新闻⋯⋯ 这玩意的波前也是螺旋形的，具体它到底是怎么振动怎么传播的，反正我是没法直观地想象出来⋯⋯ 从这里也可以看出这种光和一般的圆偏振是不一样的。圆偏振的光，坡印亭矢量依然是直着走的。

和自旋一样，带轨道角动量的光通过介质时也会给介质施加一个扭矩。写到这我突然觉得这玩意可以搞成电动力学课的大作业或者 take home 期末考试题。

今年这个 Science 文章我只是大概看了下摘要，看起来大概就是两束这种光在某些特殊条件下叠加在一起然后发生了一些奇怪的事情。不过我以前不是搞这个的，不知道为毛这文章能上 Science⋯⋯

顺便上个 Quake 2 截图~~

我以为光轨道角动量这种东西学过光学的人都应该知道一点...anyway, 试着回答一下吧 (日常工作时间划水说的就是我了)，本科接触过一点OAM的实验不过现在都忘干净了。

首先说一个概念， 光子的轨道角动量(OAM) ，和偏振频率等其他量一样，这是光子的另外一个自由度。如大家经常看到的，其在空间上会有如下图的分布，可以看到不同的OAM量子数会有不同的形状，波前呈现不同的螺旋模式(helical modes是这么翻译的吧). 尤其当m=0即轨道角动量为0的时候，显然就回到了我们在大学物理光学部分熟知的这种平面波。

这个和我们平时说的光的偏振是不一样的，偏振对应的是光子的自旋角动量，而这里我们谈论的是轨道角动量，不能混为一谈，在没有spin-orbital coupling时候这两个是完全独立的。

另外细心的你应该也可以看到，上图中从截面看，最中间的点附近都是暗的，像一个漩涡一样，亦即所谓的optical vortex. OAM作为光的一个自由度可以在很多方面有应用，比如我立刻就能想到一个是用来成像，比如2014年诺贝尔化学奖的超分辨成像这种，芝士回答前两天有 @梁昊 的一个 回答 可以参考，还有一个就是高维量子计算，毕竟多个量子数可以提供更多level更大的空间嘛.

回到题目，那么这篇science的文章做了一个什么事情呢？

简单来说：把两束OAM(轨道角动量)相差为1，并且互相之间有一个time-delay(延时)的红外光束相互干涉，通过HHG(high harmonic generation)过程，最终得到的极紫外线光束可以呈现出随时间变化的OAM，称之为自扭转 。

我的理解是，这个工作的意义在于，第一次实现了光束的自扭转，亦即在在没有外力或者说没有外界相互作用的情况下，OAM还能随时间变化。

或者如果您稍微懂点英文，这篇文章的导读也说的很明白了：

下面这张图您看了会更明白，图A里面，两个互相之间有延时IR光(红色的)打到这个HHG介质上，最后得到紫色的这个螺旋线的光，它一开始的OAM是17，走着走着就变到了34，这种OAM量子数随时间变化的现象我们称之为self-torque自扭转或者自扭矩。图B就是OAM随着时间变化的图，大概在15飞秒内，OAM从17变到了34。另外就是图c在 方向上的光频会不一样，这个也是很自然的一件事情了。

显然这是一个非线性过程，而核心就是这个所谓的HHG(high harmonic generation)。做非线性或者超快之类的同学应该远比我熟悉这个mechanism，简单来说就是你打一个频率为omega的光进入某个HHG介质(比如这里他们用的是稀有气体)之后出来的光的频率会是原来的整数倍，即n*omega。而这个实验里，是在不同时刻打入两束不同OAM的光进去，我的intuition是这样的，因为本身这个HHG就是一个动力学过程，在光频转化过程中不同的OAM会被imprint到出来的pulse上面，就像打字机一行一行打字，出来的每一行都不一样，都有不同的OAM。文章略长我也没有太仔细的看，如有不准确地方或者疑问欢迎提出，感觉作为简单的科普的话我就可以不用细读文章了= =

关于这个工作在应用上的意义，我开脑洞想到的结合超分辨显微镜那套可以搞一个在时间和空间上同时超分辨的显微镜，毕竟这里的时间尺度有fs，甚至可能已经远低于大部分有趣过程的时间了……另外光频在phi方向的差别是不是也可以用作sensing之类的啊…idk.

其他意义的话，我就从正文直接copy过来吧：

人民群众忘性大。去年还有个比 OAM 更牛逼的发现。那就是烟圈方式传播。

OAM:

SOV 或 STOV 类似烟圈的传播：

资料： Physicists discover 'smoke rings' made of laser light

官宣： https:// umdrightnow.umd.edu/new s/umd-physicists-discover-laser-light-smoke-rings

原论文是发表在Science上的《 Generation of extreme-ultraviolet beams with time-varying orbital angular momentum 》。关于可能的应用，论文总结中也已经提到了：

鉴于民科 @雷奕安 副教授又开始借题发挥无知言论，我这里就着对他回答的纠正再多说几句。

这种肤浅的问题不仅说明雷奕安一如既往地没有认真读过原论文，而且表明雷奕安连基础的电磁学都没学好。完全是凭着主观臆想去提一些自以为高深的问题。

原论文的总结中有提到：

在正文第一段所引用的第二篇文章， 是给出的才是轨道角动量orbital angular momentum。因此可以清楚地看出 轨道角动量和自旋角动量是分开处理的 ，根本不存在雷奕安所臆想的所谓“把轨道角动量当成了自旋角动量”，单个光子的自旋仍然是1，跟量子电动力学并没有任何矛盾。显然也不会存在雷奕安所臆想的“自旋为2，3，……，的光子”。

粒子物理学中的基本粒子是有严格定义的，各种基本粒子的自旋也是有严格推导的。雷奕安这种用文字游戏和主观臆想去代替推导和思考的行为除了故作高深误导非专业读者以外没有任何意义。

我不知道诸位是忘性大还是不想事...三年前芝士回答上是火过一个问题，并且官方还作为新版编辑器的范例推送过

然后我从里面随便偷一张图

嗯，所以诸位还有疑问光线为什么能以螺旋状传播么？

当然，这件事要具体计算检验的话会很复杂，大致思路是，取一个高角量子数，零径向节点的高斯拉盖尔光束，取相邻几个叠加，从而得到一个能在角向较清晰的分辨出“杆子”的涡旋光束。然后通过计算确认这些“杆子”都是直的。另外也可以尝试数值去检验，哪位同志有空可以去做做。

再具体到这篇文章，我觉得还是很难说它测出了什么由于自扭矩造成的角动量在传播过程中的变化，因为实验测量量最终还是角度分辨的高次谐波谱，剩下的信息都是一通计算反演出来的；倒是很类似于之前提的attosecond lighthouse的概念，只不过将那边的横向动量换成了这里的角动量。

补个文献：

这篇文章计算了涡旋光的坡印廷轨迹线，即波矢场的场线，一定程度上可以认为是光线的轨迹。上面三幅图分别是在焦平面三个不同离轴距离出发的轨迹线，其中中间一幅是从光强最高的位置出发，前后两幅分别为前者的0.5和10倍。

这个问题在《量子空间》专栏里有文章做了分析。

本专栏内文章《波粒二象性的几何化唯象解释》一文中，给出了一个光子的运动几何拓卜形态，《量子空间》理论推导的结果，和这个最新对光子的观测实验结果完全一致，可以说就是对《量子空间》理论关于光子运动形态的一个实验证明。

(纵向角动量和横向角动量如果把它们联合起来考虑一下，不就是一个在一维时间坐标轴上前进的一个伸缩能量环吗？)

(下图的实测条纹图案给出了光子的结构形态，很明显，就是一个《量子空间》理论推导出的能量环拓卜结构)

(那个奇点，就是《量子空间》理论中给出的光子这个能量环聚合在一个空间元体积时候的相态，这个相态是体现为粒子性，而其它相态就体现为波动性，这就是波粒二象性的深层次本质原因)

(后面一个图可以看出，一个光子的拓卜形态呈现出左图二维的三角态，右图三维的圆锥态，这个形态就是《量子空间》理论推导出的光子能量环在时间坐标上弹性伸缩的运动模式，即光环收缩→扩张→收缩的反复振荡模式，构成一个正弦谐波，而这个谐波的波长就是就是光子的波长，每秒聚合的次数，就是频率，波长和频率的积就是光速绝对性)

题主问有什么应用，这个应该是基础科学的探索，还看不出有什么技术应用，但是有一个很重要的提示，那就是空间是量子化的。只有量子化结构化的空间元才能产生光子这么怪异的运行模式，如果空间是一无所有，光子不会有结构且时变，只有空间有结构，才会导致光子在结构中运行出现了被动形变和时变。这恐怕是对物理学突破性的成果，必然也会有颠覆性结果出现。

图1 携带光子纵向轨道角动量的空间涡旋光场和携带光子横向轨道角动量的时空涡旋光场

光环的振荡扩展和收缩

图2 完全采用线性光学手段的时空涡旋光场生成与表征实验装置示意图

图3 实验产生的携带横向轨道角动量的时空涡旋光场(a)时空涡旋相位分布；(b)时空涡旋强度分布

想起了俺几年前提到的光的螺旋线运动，俺还把那个理论写进了《我当上帝那些事》里

没想到居然成真了

科技的发展在碰到瓶颈之前往往是一个指数式上升的过程，一个又一个的新现象被发现，一个又一个的新理论被提出，白龙人的物理学前所未有的发达，而能够制造新的复杂工具的它们，已经开始逐渐压过其他种族，渐渐成为这颗星球上的真正霸主，而其他的智能物种与白龙人的差距就像印第安人与进入蒸汽文明的西欧国家之间的差距一般巨大。

而在光电效应发现后的六十八年，也就是白龙人世界的空气动力学发现者提出空气动力学公式的一百四十年后，白龙人终于提出了它们文明的“大一统理论”——螺旋线运动理论。

在之后极其漫长的一段时间里，这个大一统理论都牢牢占据了白龙人文明的主流，其地位如同昊日在天，高高在上不可动摇。也是这个理论，让白龙人进入了太空文明阶段，直到白龙人对时空深层结构有了更深了解之后，这个大一统理论才被彻底推翻。

“螺旋线运动理论？还真是别具一格的理论呢。”当我目睹着白龙人提出第一个大一统理论时，不禁哑然失笑，却又有些暗自佩服。白龙人对于世界本质的认识，甚至超过了人类。

“主人。白龙人的理论物理理论和人类世界的理论非常不同。”蒂兰圣雪说道，“这个理论的第一条就和牛顿第一定律完全背道而驰。白龙人的螺旋线运动理论否定了牛顿第一定律，白龙人认为物体在不受力的状态下并不会保持匀速直线运动和静止状态，而是会以螺旋线的方式运动，所谓的惯性导致的匀速直线仅仅只是物体在短距离状态下观察到的近似于直线的线而已，当物体和光线运动地足够远时，它们不会再保持直线，而是会开始变成螺旋线的运动状态，物体会一直到螺旋线渐渐缩小，变成一个聚集在中心的极小的闭合环，然后再向外反向旋转，重新开始释放出物质，开始新的一轮轮回。这个理论否定了电磁力、弱相互作用力、强相互作用力和引力的存在，代替这四种基本力的是物体的螺旋线运动的规定性本质。”

“是啊，这个理论还认为光子，电子和原子本质上都是层层相叠，一个套一个的空心球体。真是够敏锐的，能够提出这样的理论，说到底还是和白龙人的飞行能力离不开关系。从这种理论中得到启发的自然现象是龙卷风和反气旋，也只有擅长飞行的白龙人能够提出这样的理论了。而且这个理论还与空气动力学一脉相承，呵呵。”我饶有兴致地说道，“通过这个理论，白龙人就可以发现自然界同时存在着自发的熵增和熵逆现象，只不过熵逆的开始会比熵增慢很多。这也表明了宇宙从伪热寂到坍缩会有相当长的一段热力平衡状态。白龙人能够突破热力学第二定律，倒也是非常伟大的一场物理学胜仗。比起悲观地认为宇宙要灭亡的地球人，白龙人倒是乐观多了。”

蒂兰圣雪道：“是的，主人。但是白龙人依然对时空的本质还认识不足，在力学体系框架上的完备无法解释力学理论体系本身的无矛盾性，哥德尔不完备性定理依然注定了白龙人无法找出一个绝对没有漏洞的大一统理论，它们只能够接近神，却无法达到主人您不证自明的绝对本源高度。而且由于认识不到空间的本质，白龙人还不知道物体的螺旋线运动与空间在高维度宇宙膜上的弧度有关，把空间拓扑之后，螺旋线运动其实也可以扩展为一种直线运动。”

“爱因斯坦在提出相对论之前也曾经思考过螺旋线性运动方程，只是他在这一步上只研究了一般，后来就放弃了，白龙人算是走上了一条与爱因斯坦理论偏离的道路，所以没有发展出量子力学，但是也走出了一套逻辑完备性较高的理论体系。这一点我很欣慰。说起来，螺旋线运动定理在几何上倒是和道家的阴阳图有一定相似性呢。呵呵。”

————(以上内容来自俺2014年写的《我当上帝那些事》第三十五章）——————

不过，自旋就是因为解释不了向心力才叫自旋的。

现在搞出个绕转来，那就得有向心力，怕是现有的四种力都不行，莫非还要搞出第五种力吗

这是个好问题，下面有好多好答案。

我用心去读了，发现自己既读不懂题目，也读不懂答案……不敢去顶任何一个，也不敢去踩任何一个。

可能，这个问题对我而言就不是个问题。

这里有有关光子自选

有一种能产生产生涡旋光的光纤，制作简单，价格低廉，并且很有潜力，因为可以利用OAM光的角动量做复用，那么它理论上能复用的无数个啊，当然要取决于探测器和调试器的精度，总之很有前景，最近很火。

其他应用可以看看论文：

http:// wap.cnki.net/touch/web/ Dissertation/Article/10004-1018144568.nh.html

应该是一个噱头，媒体就通篇讲一个角动量，不过倒是让我想起以前贴吧“不高人”的理论，螺旋运动哈哈哈哈