
近日,苏州大学赵承良教授团队与山东师范大学蔡阳健教授团队在Light Manipulation & Applications上发表综述性论文“Fractional Vortex Beam: Fundamentals and Beyond”,系统梳理了分数阶涡旋光束(Fractional vortex beams)的关键理论、生成与测量方法,以及在光镊操控、方向选择性边缘增强成像、动态感知、光信息编码、位移传感和高维量子纠缠等方向的代表性应用。文章同时指出,分数阶涡旋的研究范围已从光学拓展至声学涡旋等更广泛的平台,并在超表面、时空脉冲整形、全息成像与深度学习等技术推动下快速演进,为下一代高维信息与智能光场系统奠定了基础。苏州大学卢兴园副教授为综述第一作者,苏州大学赵承良教授和山东师范大学蔡阳健教授为综述的共同通讯作者。
系统综述分数阶涡旋光束的理论、生成、测量与应用全链条进展;
强调分数阶涡旋的核心优势:连续可调拓扑荷、展宽OAM谱与开缝特征;
总结超表面、时空整形、全息与深度学习推动下的最新进展;
将视野扩展至声学涡旋等跨平台方向,凸显其高维信息与智能感知前景。
涡旋现象广泛存在于流体、光波、量子体系、声学乃至天体物理等自然系统中。光学领域的涡旋光束以中心相位奇点与螺旋相位波前为典型特征;其核心物理量之一是轨道角动量(OAM)以及与之对应的拓扑荷(topological charge, TC)。当拓扑阶数从整数推广到分数,光场将呈现一系列整数涡旋不具备的特性,例如:
连续可调的拓扑荷与分数螺旋相位结构;
展宽的OAM谱与更丰富的模式叠加成分;
开缝/相位不连续等结构性“缺口”特征。
这些独特性质使分数阶涡旋光束成为精细操控与高维编码的重要候选光场。

图1. 分数阶涡旋光束的产生与应用
本综述围绕分数阶涡旋光束的研究链条,系统总结了近年的关键进展:
1)理论模型:从标量相干场到时空多维度联合调控
文章归纳了多类分数阶涡旋光束模型(如高斯、拉盖尔-高斯、贝塞尔、完美型、多开缝、阵列等),并强调了分数阶涡旋可表述为整数OAM模的相干叠加这一框架对理解其传播稳定性、谱结构与调控策略的重要意义。研究也已从传统的空间、可见光、相干标量场,拓展到矢量场、时空结构光、部分相干光以及声场等更广泛情形。
2)生成方法:从SLM到超表面再到更一般的相干合束
除可编程空间光调制器外,近年来多样化的器件与方案显著推动了分数阶涡旋的“可用化”及其向可见光以外、甚至光子学以外范畴的拓展:包括传统相位板/衍射元件、先进超表面、相干合束、以及面向集成光子学的片上方案等。文章对各类方案作出了系统的优劣势总结与对比。
3)测量与识别:从经典衍射到模式分解再到深度学习驱动的智能计量
准确判定分数拓扑荷与OAM谱是应用落地的关键。综述总结了衍射/掩膜、干涉与模式分解等经典方法,并强调光场重构、模态分解的定量能力;同时,深度学习显著提升了在复杂条件下(如散射、低信噪比、低相干等)的识别精度与速度,实现了面向光学与声学涡旋的快速检测与鲁棒识别。
4)应用版图:从微粒操控到高维信息与计量
得益于“开缝缺口”、非对称强度分布、以及多峰谱结构等特征,分数阶涡旋光束在多领域展现出优势:
光镊与微操控:利用强度缺口实现选择性捕获、分拣与操控;
方向选择性边缘增强成像:分数螺旋相位滤波带来纹理保持与方向敏感增强;
旋转多普勒感知:展宽/多峰谱增强旋转速度与周期结构的鲁棒测量;
通信与信息编码:连续TC空间拓展传统编码及全息编码维度与容量;
位移传感与高维量子纠缠:分数相位结构带来更高灵敏度与更高维自由度。
该综述对分数涡旋光束进行了全面细致的梳理,涵盖了基本理论、产生方法、测量技术及多样化的应用,旨在为光学与光子学以及其他相关领域的新进学者及资深研究人员提供参考。文章同时指出若干分数阶涡旋光束研究中亟待突破的方向。例如,高效率、可集成的生成仍需进一步优化,尤其在集成光子系统中;在真实环境(如大气湍流、散射介质、多模光纤)下的传播稳定性与抗扰动机理有待深化。面向未来,综述也提出了值得期待的趋势,如高精度纳米制造推动规模化器件制备,分数阶涡旋与机器学习融合形成端到端智能系统,分数阶涡旋概念向声学、电子束、太赫兹等平台拓展,激发跨学科应用潜力等。
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https://sciexplor.com/articles/lma.2026.0002
引用本文
Lu X, Wang Z, Zhu J, Hang Y, Lu X, Cai X, et al. Fractional vortex beam: Fundamentals and beyond. Light Manip Appl. 2026;1:202502. https://doi.org/10.70401/lma.2026.0002
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赵承良,苏州大学物理科学与技术学院党委书记、教授、博士生导师,苏州市智能光电感知重点实验室副主任,苏州市物理学会副理事长。担任Computational Imaging and Measurement 副主编。主要从事光场调控及应用、光束传输与控制、相干光学、光学成像及检测等方面的研究,在Light: Science & Applications、Advanced Photonics、Laser & Photonics Reviews、Photonics Research、ACS Photonics、Nanophotonics、Science China Physics Mechanics & Astronomy 等期刊上发表学术论文130余篇,授权中国发明专利24项、美国发明专利1项;先后承担国家自然科学基金重点研究计划/重点项目/面上项目/青年基金、教育部科学技术研究重点项目、苏州市科普项目/科学家精神教育基地项目、企业横向课题等项目。

蔡阳健,山东师范大学副校长、教授、博士生导师。国家杰出青年科学基金获得者、美国光学学会会士。长期从事光场调控及应用、光束传输与控制、光学成像、大气光学、微纳操控等研究,在国内外权威期刊发表二区及以上SCI收录论文300多篇, 被引超2万多次。连续多年入选Elsevier发布的“中国高被引用学者榜单”以及美国斯坦福大学发布的全球前2%顶尖科学家榜单。受邀担任《光学学报》副主编、Progress in Optics编委、Advanced Photonics Nexus 编委、PhotoniX 高级编辑等。

Light Manipulation and Applications(LMA)是由Science Exploration Press推出的国际英文学术期刊,采用金色开放获取模式,实行严格的同行评议。期刊致力于发表高质量、具有学术影响力的研究,推动光场操控及其应用领域的基础理论突破与技术创新。
LMA由山东师范大学副校长、光场调控中心负责人蔡阳健教授担任主编。期刊聚焦光场操控及其多领域应用,涵盖光学基础物理、结构光生成与调控、光学涡旋与奇异光学、空间–时间结构光、量子光学及超快光学、纳米光学与超表面、成像、全息、通信、光学测量、传感与信息处理等方向,力求为光学与光子学的基础研究与应用开发提供全面、系统的学术交流平台。LMA与山东师范大学建立了官方合作关系,致力于推动国内外光学领域的学术交流与创新发展。
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