光學渦旋與光子軌道角動量緊密關聯，而光子軌道角動量的重要意義在于利用單個光子實現N進制光子信息的編碼。因此，光學渦旋操控、探測目前已成為國際上新型光通信體制和量子信息處理等領域的一個研究熱點。在強光背景下，渦旋中心是個暗斑，因此可以方便地用CCD等探測器直接識別。但是在極微弱光場下，特別是在光子可數水平下，渦旋將隱匿于一片漆黑的背景中，從而無從辨認。

圖1 陣列渦旋的掃描“點亮”，亮斑中心即為渦旋核的位置。
 

為了解決弱光條件下光學渦旋探測的難題，廈門大學物理科學與技術學院陳理想教授課題組和加拿大渥太華大學Ebrahim Karimi教授合作，首次將螺旋相襯技術推廣到高階拓撲荷數，通過在傅里葉平面掃描高階螺旋相位濾波片，成功實現了極微弱光場下各種渦旋，如數字或蝶翼陣列渦旋的高效“點亮”，從而對渦旋的拓撲荷數和位置進行了精準的測量。他們還基于傅里葉變換光學理論以及泊松衍射亮斑現象對實驗結果進行了定性的解釋。有意思的是，基于EMCCD的測量結果，他們還發現在相同的背景光條件下，相對于低階拓撲荷數的渦旋，高階渦旋會被“點”得更亮；換句話說，在同等條件下，“點亮”一個高階的渦旋所需的光子數更少。

圖2 該工作被選為Laser & Photonics Reviews內封面文章。
 

他們的實驗成果最近以“Revealing optical vortices with a small number of photons”為題發表在國際著名光子學期刊Laser & Photonics Reviews [11, 1600163 (2017)]上，并被編輯選為內封面文章(Inside Cover Paper)。編輯指出，“來自中國和加拿大的研究人員僅利用少量的光子就照亮了光學渦旋”，“這種易于集成的技術，有望用于天文望遠鏡探測來自遙遠星體發出的微弱光信號”。