กระแสน้ำวนเชิงแสง (หรือที่รู้จักกันในชื่อกระแสน้ำวนควอนตัมโฟตอนิกส์การเคลื่อนตัวแบบเกลียวหรือภาวะเอกฐานของเฟส ) คือจุดศูนย์ของสนามแสง จุดที่ มีความเข้มเป็นศูนย์คำนี้ยังใช้เพื่ออธิบายลำแสงที่มีจุดศูนย์ดังกล่าวอยู่ด้วย การศึกษาปรากฏการณ์เหล่านี้เรียกว่าทัศนศาสตร์ เชิงเอกฐาน

แนวคิดเรื่อง "กระแสน้ำวนเชิงแสง" ได้รับการอธิบายครั้งแรกโดย Coullet และคณะในปี 1989 โดยอิงจากผลเฉลยของสมการ Maxwell-Bloch [ ^{1 ] จาก}การตรวจสอบพบว่า การศึกษาในช่วงปี 1989-1999 ส่วนใหญ่มุ่งเน้นไปที่พื้นฐาน การศึกษาในช่วงปี 1999-2009 ได้พัฒนาแอปพลิเคชันต่างๆ มากมาย และการศึกษาในช่วงปี 2009-2019 ได้สร้างความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีหลายประการ^{[ 1 ]}

ในปรากฏการณ์แสงวน (optical vortex) แสงจะบิดตัวเหมือนเกลียวสว่านรอบแกนการเคลื่อนที่ เนื่องจากการบิดตัวนี้ คลื่นแสงที่แกนจะหักล้างกันเอง เมื่อฉายลงบนพื้นผิวเรียบ ปรากฏการณ์แสงวนจะปรากฏเป็นวงแหวนแสงที่มีรูมืดอยู่ตรงกลาง แสงวนจะได้รับค่าตัวเลขที่เรียกว่าประจุทางทอพอโลยี (topological charge ) ตามจำนวนการบิดตัวของแสงในหนึ่งความยาวคลื่น ตัวเลขนี้จะเป็นจำนวนเต็มเสมอ และอาจเป็นบวกหรือลบ ขึ้นอยู่กับทิศทางการบิดตัว ยิ่งจำนวนการบิดตัวสูงเท่าไร แสงก็จะหมุนรอบแกนเร็วขึ้นเท่านั้น

การหมุนนี้จะนำพาโมเมนตัมเชิงมุมวงโคจรไปกับขบวนคลื่น และจะเหนี่ยวนำแรงบิดบนไดโพลไฟฟ้าโมเมนตัมเชิงมุมวงโคจรแตกต่างจากโมเมนตัมเชิงมุมสปินที่ พบได้บ่อยกว่า ซึ่งทำให้เกิดโพลาไรเซชันแบบวงกลม^{[ 2 ]}โมเมนตัมเชิงมุมวงโคจรของแสงสามารถสังเกตได้จากการเคลื่อนที่แบบวงโคจรของอนุภาคที่ถูกดักจับ การแทรกสอดของกระแสน้ำวนแสงกับคลื่นแสงระนาบเผยให้เห็นเฟสเกลียวเป็นเกลียวศูนย์กลาง จำนวนแขนในเกลียวเท่ากับประจุทางโทโพโลยี

กระแสน้ำวนแสงได้รับการศึกษาโดยการสร้างกระแสน้ำวนในห้องปฏิบัติการด้วยวิธีการต่างๆ สามารถสร้างกระแสน้ำวนได้โดยตรงในเลเซอร์^{[ 3 ] [ 4 ]}หรือ ลำแสง เลเซอร์สามารถบิดเป็นกระแสน้ำวนได้โดยใช้วิธีต่างๆ เช่น โฮโลแกรมที่สร้างด้วยคอมพิวเตอร์ โครงสร้างหน่วงเฟสแบบเกลียว หรือกระแสน้ำวนแบบไบรีฟริงเจนท์ในวัสดุ

ที่สำคัญคือ โมเมนตัมเชิงมุมสปินและวงโคจรไม่ได้ถูกกำหนดไว้อย่างถูกต้องสำหรับโฟตอน^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]}ในบริบทของลำแสงวน เงื่อนไขเหล่านี้สอดคล้องกับปริมาณที่แตกต่างกัน ในทางตรงกันข้าม การฉายภาพโมเมนตัมเชิงมุมรวมและเฮลิซิตี้เป็นปริมาณที่เหมาะสมในการกำหนดลักษณะของลำแสงแม้จะอยู่นอกเหนือการประมาณแบบพาราแอ็กเซียล^{[ 8 ] [ 9 ]}

จุดเอกฐานทางแสงคือจุดศูนย์ของสนามแสง เฟสในสนามจะหมุนวนรอบจุดที่มีความเข้มเป็นศูนย์เหล่านี้ (จึงเป็นที่มาของชื่อวอร์เท็กซ์ ) วอร์เท็กซ์เป็นจุดในสนาม 2 มิติ และเป็นเส้นในสนาม 3 มิติ (เนื่องจากมีมิติร่วมเท่ากับสอง) การอินทิเกรตเฟสของสนามรอบเส้นทางที่ล้อมรอบวอร์เท็กซ์จะได้ค่าจำนวนเต็มที่เป็นผลคูณของ 2π ค่าจำนวนเต็มนี้เรียกว่าประจุทางทอพอโลยี หรือความแรงของวอร์เท็กซ์

โหมด ไฮเปอร์จีโอเมตริก-เกาส์เซียน (HyGG) มีกระแสน้ำวนทางแสงอยู่ตรงกลาง ลำแสงซึ่งมีรูปแบบดังนี้

${\displaystyle \psi \propto e^{im\phi }e^{-r^{2}},\!}$

เป็นคำตอบของสมการคลื่น พาราแอ็กเซียล (ดูการประมาณพาราแอ็กเซียลและ บทความ ทัศนศาสตร์ฟูริเยร์สำหรับสมการจริง ) ซึ่งประกอบด้วยฟังก์ชันเบสเซล โฟตอนในลำแสงไฮเปอร์จีโอเมตริก-เกาส์เซียนมีโมเมนตัมเชิงมุมวงโคจรเท่ากับmħจำนวนเต็มmยังให้ความแรงของกระแสน้ำวนที่ศูนย์กลางของลำแสงโมเมนตัมเชิงมุมสปินของแสงโพลาไรซ์แบบวงกลมสามารถแปลงเป็นโมเมนตัมเชิงมุมวงโคจรได้^{[ 10 ]}

วิธีการสร้างกระแสน้ำวนแสงทำงานโดยการใช้คลื่นระนาบหรือลำแสงเกาส์เซียนและเพิ่มเฟสของคลื่นที่แต่ละจุด โดยที่คือโมเมนตัมเชิงมุมวงโคจรของลำแสง และคือมุมตามระนาบที่ตั้งฉากกับทิศทางการแพร่กระจายของแสง^{[ 11 ]}วิธีการสร้างกระแสน้ำวนแสง ได้แก่ แผ่นเฟสแบบเกลียว โฮโลแกรม เลนส์เฟรสเนลแบบเกลียว เลนส์ทรงกระบอก ตัวปรับแสงเชิงพื้นที่ และแผ่นคิว รวมถึงวิธีอื่นๆ^{[ 11 ]}${\displaystyle l\phi }$${\displaystyle l}$${\displaystyle \phi }$

• แผ่นหรือกระจกเฟสเกลียวแบบคงที่คือชิ้นส่วนคริสตัลหรือพลาสติกรูปทรงเกลียวที่ได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อให้ได้ประจุเชิงทอพอโลยีและความยาวคลื่นตกกระทบที่ต้องการ มีประสิทธิภาพสูงแต่ราคาแพง แผ่นเฟสเกลียวแบบปรับได้สามารถทำได้โดยการเลื่อนลิ่มระหว่างสองด้านของชิ้นส่วนพลาสติกที่แตก กระจกเฟสเกลียวแบบนอกแกนสามารถใช้ในการแปลงโหมดของเลเซอร์กำลังสูงและเลเซอร์ความยาวคลื่นสั้นมากได้
• โฮโลแกรมที่สร้างด้วยคอมพิวเตอร์ (CGH) คืออินเตอร์เฟอโรแกรม ที่คำนวณได้ ระหว่างคลื่นระนาบและลำแสงลากูร์-เกาส์เซียนซึ่งถูกถ่ายโอนไปยังฟิล์ม CGH มีลักษณะคล้ายกับตะแกรงเลี้ยวเบนเชิงเส้นรอนชี ทั่วไป ยกเว้นความคลาดเคลื่อนแบบ "ง่าม" ลำแสงเลเซอร์ที่ตกกระทบสร้างรูปแบบการเลี้ยวเบนที่มีกระแสน้ำวนซึ่งประจุทางโทโพโลยีเพิ่มขึ้นตามลำดับการเลี้ยวเบน ลำดับที่ศูนย์เป็นแบบเกาส์เซียน และกระแสน้ำวนมีเฮลิซิตี้ตรงข้ามกันที่ด้านใดด้านหนึ่งของลำแสงที่ไม่เลี้ยวเบนนี้ จำนวนง่ามในง่ามของ CGH สัมพันธ์โดยตรงกับประจุทางโทโพโลยีของกระแสน้ำวนลำดับการเลี้ยวเบนแรก CGH สามารถปรับแต่งเพื่อให้ความเข้มของแสงไปที่ลำดับแรกมากขึ้น การฟอกสีจะเปลี่ยนจากตะแกรงความเข้มเป็นตะแกรงเฟส ซึ่งเพิ่มประสิทธิภาพ

• การแปลงโหมดต้องใช้ โหมด เฮอร์ไมต์-เกาส์เซียน (HG) ซึ่งสามารถสร้างได้ง่ายภายในโพรงเลเซอร์หรือภายนอกด้วยวิธีการที่ไม่แม่นยำนัก เลนส์แอสติ๊กมาติกคู่หนึ่งจะทำให้เกิดการเลื่อนเฟสแบบกูยซึ่งสร้างลำแสง LG ที่มีดัชนีเชิงมุมและเชิงรัศมีขึ้นอยู่กับ HG ที่ป้อนเข้ามา
• ตัวปรับแสงเชิงพื้นที่เป็นอุปกรณ์ผลึกเหลวอิเล็กทรอนิกส์ที่ควบคุมด้วยคอมพิวเตอร์ ซึ่งสามารถสร้างกระแสน้ำวนแบบไดนามิก อาร์เรย์ของกระแสน้ำวน และลำแสงประเภทอื่นๆ โดยการสร้างโฮโลแกรมที่มีดัชนีหักเหแปรผัน^{[ 12 ]}โฮโลแกรมนี้อาจเป็นรูปแบบส้อม แผ่นเฟสเกลียว หรือรูปแบบที่คล้ายกันบางอย่างที่มีประจุทางโทโพโลยีที่ไม่เป็นศูนย์
• กระจกปรับรูปทรงได้ที่ทำจากชิ้นส่วนต่างๆ สามารถนำมาใช้สร้างกระแสน้ำวนแบบไดนามิก (ด้วยอัตราความเร็วสูงถึงหลายกิโลเฮิร์ตซ์ ) ได้ แม้ว่าจะถูกส่องสว่างด้วยเลเซอร์กำลังสูงก็ตาม
• แผ่นqเป็น แผ่น ผลึกเหลวแบบไบรีฟริงเจนท์ที่ มีการกระจายตัวเชิงมุมของแกนแสงเฉพาะที่ ซึ่งมีประจุโทโพโลยี q ที่จุดบกพร่องตรงกลาง แผ่น q ที่มีประจุโทโพโลยี q สามารถสร้างกระแสน้ำวนประจุตามโพลาไรเซชันของลำแสงขาเข้าได้^{[ 13 ] [ 14 ]}${\displaystyle \pm 2q}$
• แผ่น s เป็นเทคโนโลยีที่คล้ายคลึงกับแผ่น q โดยใช้เลเซอร์ UV ความเข้มสูงในการสลัก ลวดลายแบบไบ รีฟริงเจนท์ลงบน กระจก ซิลิกา อย่างถาวร โดยมีการเปลี่ยนแปลงเชิงมุมในแกนเร็วด้วยประจุเชิงโทโพโลยีแบบ s แต่ต่างจากแผ่น q ที่สามารถปรับความยาวคลื่นได้โดยการปรับแรงดันไบแอสบนผลึกเหลว แผ่น s จะทำงานได้เฉพาะกับความยาวคลื่นแสงเดียวเท่านั้น
• ที่ความถี่วิทยุ การสร้างกระแสน้ำวนแม่เหล็กไฟฟ้า (ที่ไม่ใช่แสง) นั้นทำได้ง่ายมาก เพียงแค่จัดเรียงเสาอากาศเป็นวงแหวนที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางหนึ่งความยาวคลื่นหรือมากกว่านั้น โดยให้การเปลี่ยนแปลงเฟสของเสาอากาศที่ส่งสัญญาณแปรผันเป็นจำนวนเต็มเท่าของ 2π รอบวงแหวน
• เมตาเซอร์เฟซนาโนโฟโตนิกสามารถทำให้เกิดการปรับเฟสตามขวางเพื่อสร้างกระแสน้ำวนแสงได้^{[ 15 ] [ 16 ]}ลำแสงกระแสน้ำวนสามารถสร้างได้ทั้งในพื้นที่ว่าง^{[ 17 ] [ 18 ]}หรือบนชิปโฟโตนิกแบบรวม^{[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]}
• เลนส์เกลียวสามารถ "[รวม] องค์ประกอบที่จำเป็นในการสร้างกระแสน้ำวนทางแสงโดยตรงลงบนพื้นผิว" ^{[ 22 ]} การทำให้ ไดออปเตอร์เป็นเกลียวสามารถทำให้เกิดมัลติโฟกัสได้ซึ่งช่วยให้—ตัวอย่างเช่น ใน การใช้งาน ทางจักษุวิทยา —เพิ่มความคมชัดในช่วงระยะโฟกัสและระดับแสงที่หลากหลาย^{[ 23 ]}

กระแสน้ำวนเชิงแสงนั้นโดยพื้นฐานแล้วเป็นโครงสร้างเฟส จึงไม่สามารถตรวจจับได้จากโปรไฟล์ความเข้มเพียงอย่างเดียว นอกจากนี้ เนื่องจากลำแสงกระแสน้ำวนที่มีลำดับเดียวกันมีโปรไฟล์ความเข้มที่คล้ายคลึงกัน จึงไม่สามารถระบุลักษณะเฉพาะได้จากเพียงแค่การกระจายความเข้มเท่านั้น ด้วยเหตุนี้ จึงมีการใช้เทคนิคการวัดการแทรกสอดที่หลากหลาย

• เทคนิคที่ง่ายที่สุดคือการรบกวนลำแสงวนด้วยคลื่นระนาบเอียงซึ่งส่งผลให้เกิดอินเตอร์เฟอโรแกรมที่มีลักษณะคล้ายส้อม โดยการนับจำนวนส้อมในรูปแบบและทิศทางสัมพัทธ์ของส้อมเหล่านั้น จะสามารถประมาณลำดับของกระแสน้ำวนและเครื่องหมายที่สอดคล้องกันได้อย่างแม่นยำ^{[ 24 ]}
• ลำแสงวนสามารถเปลี่ยนรูปเป็นโครงสร้างกลีบลักษณะเฉพาะได้เมื่อผ่านเลนส์เอียง สิ่งนี้เกิดขึ้นอันเป็นผลมาจากการรบกวนตัวเองระหว่างจุดเฟสที่แตกต่างกันในลำแสงวน ลำแสงวนลำดับlจะถูกแยกออกเป็นn = l + 1กลีบ โดยประมาณรอบความลึกของโฟกัสของเลนส์นูนเอียง ยิ่งไปกว่านั้น การวางแนวของกลีบ (แนวทแยงขวาและซ้าย) จะกำหนดลำดับโมเมนตัมเชิงมุมวงโคจรบวกและลบ^{[ 25 ]}
• ลำแสงวนจะสร้างโครงสร้างกลีบเมื่อเกิดการรบกวนกับลำแสงวนที่มีเครื่องหมายตรงข้าม อย่างไรก็ตาม เทคนิคนี้ไม่มีกลไกในการระบุลักษณะของเครื่องหมาย สามารถใช้เทคนิคนี้ได้โดยการวางปริซึม Dove ไว้ ในเส้นทางหนึ่งของอินเตอร์เฟอโรเมตร Mach–Zehnderซึ่งถูกกระตุ้นด้วยโปรไฟล์ลำแสงวน^{[ 24 ]}

ปรากฏการณ์กระแสน้ำวนเชิงแสงมีการประยุกต์ใช้งานหลากหลายในด้านการสื่อสารและการถ่ายภาพ

• ดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะเพิ่งถูกตรวจพบโดยตรง เมื่อไม่นานมานี้ เนื่องจากดาวฤกษ์แม่ของพวกมันสว่างมาก ความก้าวหน้าได้เกิดขึ้นในการสร้างโคโรนากราฟ แบบหมุนวนทางแสง เพื่อสังเกตดาวเคราะห์ที่มีอัตราส่วนความคมชัดต่ำเกินกว่าจะสังเกตได้ด้วยเทคนิคอื่น ๆ โดยตรง
• กระแสน้ำวนเชิงแสงถูกนำมาใช้ในแหนบเชิงแสงเพื่อควบคุมอนุภาคขนาดไมโครเมตร เช่น เซลล์ อนุภาคเหล่านี้สามารถหมุนเป็นวงโคจรรอบแกนของลำแสงได้โดยใช้ โมเมนตัมเชิงแสง (OAM ) นอกจากนี้ยังมีการสร้างมอเตอร์ขนาดเล็กโดยใช้แหนบเชิงแสงแบบกระแสน้ำวนอีกด้วย
• กระแสน้ำวนแสงสามารถปรับปรุงแบนด์วิดท์การสื่อสารได้อย่างมาก ตัวอย่างเช่น ลำแสงวิทยุที่บิดเบี้ยวสามารถเพิ่มประสิทธิภาพสเปกตรัม วิทยุได้ โดยใช้สถานะกระแสน้ำวนจำนวนมาก^{[ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]}ปริมาณการ 'บิด' ของหน้าคลื่นเฟสบ่งชี้ถึงจำนวนสถานะโมเมนตัมเชิงมุมวงโคจร และลำแสงที่มีโมเมนตัมเชิงมุมวงโคจรต่างกันจะตั้งฉากกัน การมัลติเพล็กซ์ตามโมเมนตัมเชิงมุมวงโคจร ดังกล่าว อาจเพิ่มความจุของระบบและประสิทธิภาพสเปกตรัมของการสื่อสารไร้สายคลื่นมิลลิเมตรได้^{[ 29 ]}
• ในทำนองเดียวกัน ผลการทดลองเบื้องต้นสำหรับการมัลติเพล็กซ์โมเมนตัมเชิงมุมวงโคจรในโดเมนแสงแสดงให้เห็นผลลัพธ์ในระยะทางสั้นๆ^{[ 30 ] [ 31 ]}แต่การสาธิตในระยะทางที่ไกลกว่านั้นยังอยู่ระหว่างการพัฒนา ความท้าทายหลักที่การสาธิตเหล่านี้เผชิญคือใยแก้วนำแสง แบบดั้งเดิม จะเปลี่ยนโมเมนตัมเชิงมุมสปินของกระแสน้ำวนขณะที่แพร่กระจาย และอาจเปลี่ยนโมเมนตัมเชิงมุมวงโคจรเมื่อโค้งงอหรือถูกดึงรั้ง จนถึงขณะนี้ได้มีการสาธิตการแพร่กระจายที่เสถียรได้ถึง 50 เมตรในใยแก้วนำแสงชนิดพิเศษ^{[ 32 ]}การส่งผ่านโหมดโมเมนตัมเชิงมุมวงโคจรของแสงในพื้นที่ว่างในระยะทาง 143 กิโลเมตรได้รับการพิสูจน์แล้วว่าสามารถรองรับการเข้ารหัสข้อมูลด้วยความทนทานที่ดี^{[ 33 ]}
• คอมพิวเตอร์ในปัจจุบันใช้ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่มีสองสถานะ คือ ศูนย์และหนึ่ง แต่คอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถใช้แสงในการเข้ารหัสและจัดเก็บข้อมูลได้ ในทางทฤษฎีแล้ว กระแสน้ำวนแสงมีสถานะเป็นอนันต์ในพื้นที่ว่าง เนื่องจากไม่มีข้อจำกัดของประจุเชิงทอพอโลยี ซึ่งอาจทำให้การประมวลผลข้อมูลเร็วขึ้น ชุมชน ด้านการเข้ารหัสก็สนใจกระแสน้ำวนแสงเช่นกัน เนื่องจากมีศักยภาพในการสื่อสารที่มีแบนด์วิดท์สูงขึ้นดังที่ได้กล่าวไปแล้ว
• ในกล้องจุลทรรศน์แบบออปติคอล อาจใช้กระแสน้ำวนออปติคอลเพื่อให้ได้ความละเอียดเชิงพื้นที่ที่เกินขีดจำกัดการเลี้ยวเบนปกติโดยใช้เทคนิคที่เรียกว่ากล้องจุลทรรศน์แบบลดการปล่อยแสงกระตุ้น (STED)เทคนิคนี้ใช้ประโยชน์จากความเข้มต่ำที่จุดเอกฐานตรงกลางลำแสงเพื่อลดฟลูออโรฟอร์รอบ ๆ บริเวณที่ต้องการด้วยลำแสงกระแสน้ำวนออปติคอลที่มีความเข้มสูงโดยไม่ลดฟลูออโรฟอร์ในบริเวณเป้าหมายที่ต้องการ^{[ 34 ]}
• กระแสน้ำวนเชิงแสงยังสามารถถ่ายโอนโดยตรง (แบบเรโซแนนซ์) เข้าสู่ของเหลวโพลาไรตันของแสงและสสารเพื่อศึกษาพลวัตของกระแสน้ำวนควอนตัมภายใต้ระบอบปฏิสัมพันธ์เชิงเส้นหรือไม่เชิงเส้นได้อีกด้วย^{[ 35 ]}
• สามารถระบุกระแสน้ำวนแสงได้ในความสัมพันธ์ที่ไม่ใช่แบบโลคอลของคู่โฟตอนที่พันกัน^{[ 36 ]}

• โมเมนตัมเชิงมุมวงโคจรของแสง

• วิดีโอจำลองการแพร่กระจายขององค์ประกอบแสงแบบเลี้ยวเบนแบบวน (Vortex Diffractive Optical Element) จากระยะใกล้ไปยังระยะไกลโดยใช้Holo/ Or
• กระแสน้ำวนแสงและแหนบแสงที่มหาวิทยาลัยกลาสโกว์
• รายชื่อผลงานชิ้นเอกด้านทัศนศาสตร์เชิงเดี่ยว จัดทำโดยโกรเวอร์ สวาร์ทซ์แลนเดอร์มหาวิทยาลัยแอริโซนา ทูซอน
• เครื่องมือวัดความหมุนวนของแสง (Optical vortex coronograph ) โดย Gregory Foo และคณะ มหาวิทยาลัยแอริโซนา เมืองทูซอน
• เครื่องมือคีบจับด้วยแสง (Optical tweezers ) โดย เดวิด กรีเออร์ มหาวิทยาลัยนิวยอร์ก
• ผลงานวิจัยที่คัดเลือกเกี่ยวกับการเกิดกระแสน้ำวนทางแสงณ มหาวิทยาลัยแห่งชาติออสเตรเลีย
• "ทุกอย่างยุ่งเหยิงไปหมด: บทความจาก Scientific American " เก็บถาวรจากต้นฉบับเมื่อ 2007-10-15 เรียกดูเมื่อ2007-08-22
• "บทความจากนิวไซเอนทิสต์ ระบุว่า "การ 'บิด' แสงทำให้บรรจุข้อมูลได้มากขึ้นในโฟตอนเดียว"
• "ลำแสงในโหมดลำดับสูง"เก็บถาวรจากต้นฉบับเมื่อ 2017-04-17 เรียกดูเมื่อ2007-08-22
• "การเข้ารหัสแสงบิดเบี้ยว "
• "ฟิสิกส์สุดพิสดาร: นักวิทยาศาสตร์สร้างกลุ่มแสง"ฟ็อกซ์นิวส์ 18 มกราคม 2010{{cite news}}: CS1 maint: บริการเก็บถาวรที่เลิกใช้แล้ว ( ลิงก์ )