涡旋环是一种广泛存在于流体和气体中的可传播环形结构，其与拓扑学中的纽结理论密切相关。近年来，随着光场调控技术的发展，时空光场在时间和空间维度的紧密联系为研究光学拓扑结构提供了良好的平台。文章将回顾近期关于光学涡环的系列研究，介绍光学涡环产生过程中的物理机制；并分别从拓扑和结构光两个视角出发，详细讨论由光学涡环延伸出的光学相位拓扑结构，包括标量光学霍普夫子及光学相位莫比乌斯环。
涡旋(vortex)是广泛存在于各种物理系统中的一种特殊结构，在日常生活中随处可见，例如水流中心或者台风中心的漩涡。在光学系统中也存在涡旋，在过去三十年中，对光学涡旋的研究已经取得了长足的发展，并且激发了光操控、光通信、光学加工等领域中的大量应用。涡旋中心是各类物理量的奇点，对于平面涡旋结构，涡旋中心是一个点，也可以称之为一维奇点。
相应的，当涡旋中心在三维空间中连接形成直线等空间轨迹，其对应二维奇点。特别地，当涡旋中心形成闭合圆形轨迹，该涡旋结构被称为环形涡旋或涡环(toroidal vortices， vortex rings)。
在液体和气体中，涡旋环的形成引起人们极大的兴趣。例如在水族馆中，海豚可以创造出气泡环，气泡环是在水中传播的充满空气的涡旋环。
人们同样惊讶于烟雾表演者利用烟雾创造出涡旋环，控制涡旋环的形状并使其在空气中传播。而在火山上空同样可以发现烟雾产生的涡环，如图1(a)所示。关于涡旋环的科学研究可以追溯至1867年，苏格兰物理学家泰特(Peter Guthrie Tait)构建了一个盒子来研究烟圈。泰特早期从德国科学家亥姆霍兹(Hermann von Helmholtz)的一篇论文中了解到，理想流体中的涡环是稳定且持续存在的。
尽管空气并非理想的流体，但泰特希望找到一个近似的模型。他在木箱的一端刻了一个圆孔，另一端则用拉紧的毛巾代替。在木箱里撒上浓氨水，并放置了一个盛有硫酸的盘子，将硫酸浇在普通盐上。两种气体结合形成固体的微粒，由于流体摩擦而悬浮在空中，就像空气中的烟雾一样。如图1(b)所示，通过击打毛巾会导致烟圈从圆孔里冒出来。当烟雾到达开口时，它会向外移动，之后在盒子外面的空气推动下以圆周运动继续向前移动。
如果开口处是圆以外的形状，烟雾穿过孔后会逐渐呈现为圆形。汤姆孙(William Thomson)，即后来的开尔文勋爵(Lord Kelvin)，在看了泰特的实验后认为化学原子是以太中稳定且成结的涡旋，其具有涡旋运动。汤姆孙和泰特的努力产生了如今拓扑学中重要分支的纽结理论(knot theory)。从拓扑上来说，涡环的中心轨迹是未成结的圆环，如图1(c)所示。
最简单的非平凡结，也称为三叶结(trefoil knot)，如图1(d)所示。多个圆环或纽结的组合称为链，图1(e)为霍普夫链(Hopf link)，由两个独立的圆环嵌套而成。
涡旋环的形成和运动是连续介质中动力学的重要组成部分，已经被研究了一个多世纪。那么能否在光波中产生并观察稳定的光学涡环呢？最近的研究填补了这一空白，本文将回顾光学涡环的诞生及由其延伸出的光学拓扑结构。