Un point d'intensité nulle dans un faisceau lumineux où la phase s'enroule, créant une structure en tire-bouchon.Un vortex optique est un point (ou une ligne) dans un faisceau lumineux où l'intensité est exactement nulle et où la phase du champ électromagnétique s'enroule autour de lui en spirale, comme un tire-bouchon. Cet enroulement de phase signifie que la lumière porte un moment angulaire orbital (MAO), une propriété distincte du moment angulaire de spin associé à la polarisation circulaire. Le vortex est un défaut topologique : le changement de phase autour de la singularité est un multiple entier de 2π, et cet entier, appelé charge topologique, est une quantité conservée qui ne peut pas être modifiée par des déformations continues du champ. Les vortex optiques apparaissent naturellement dans la lumière diffusée, dans les cavités laser de certaines géométries, et peuvent être générés délibérément à l'aide de plaques de phase en spirale ou d'hologrammes générés par ordinateur.
Le concept de vortex optique a été introduit en 1974 par John Nye et Michael Berry, qui ont étudié les dislocations d'ondes dans les ondes radio et l'acoustique. La première génération expérimentale d'un vortex optique a été réalisée en 1992 par Les Allen et ses collègues, qui ont également reconnu que de tels faisceaux portent un moment angulaire orbital. Ces travaux ont ouvert le domaine de l'optique singulière.
Le champ électrique d'un vortex optique peut être décrit comme E(r, θ) = A(r) e^{ilθ} e^{ikz}, où r est la distance radiale, θ est l'angle azimutal, l est la charge topologique et k est le vecteur d'onde. À r = 0, l'amplitude A(r) s'annule, créant un cœur sombre. La phase e^{ilθ} signifie que lorsque l'on fait le tour de l'axe du faisceau, la phase change de 2πl, de sorte que les surfaces d'onde forment une surface hélicoïdale. Cette structure hélicoïdale donne au faisceau une « torsion » qui peut transférer un moment angulaire à des particules, les amenant à orbiter autour du cœur du vortex. Le centre sombre est une conséquence directe de la singularité de phase : le champ doit y être nul car la phase y est indéfinie.
Les vortex optiques sont utilisés dans les pinces optiques pour piéger et faire tourner des particules microscopiques, dans les communications optiques à haute capacité où différents modes MAO transportent des flux de données indépendants, et en microscopie à super-résolution pour améliorer la résolution d'imagerie au-delà de la limite de diffraction.
Le moment angulaire orbital d'un vortex optique peut être transféré à une particule microscopique, la faisant tourner autour de l'axe du faisceau — un phénomène qui a été utilisé pour créer des « tournevis optiques » qui font tourner des micro-rotors dans les dispositifs de laboratoire sur puce.
