Optical vortices are the electromagnetic analogue of fluid vortices studied in hydrodynamics. In both cases, the traveling wavefront, either made of light or fluid, is twisted like a corkscrew around its propagation axis—an analogy that also inspired the first proposition of the concept of optical vortices. Even though vortices are one of the most fundamental topological excitations in nature, they are rarely found in their electromagnetic form in natural systems, for the exception of energetic sources in astronomy, such as pulsars, quasars, and black holes. Mostly, optical vortices are artificially created in the laboratory by a rich variety of approaches. Here, we provide our Perspective on a technology that shook up optics in the last decade—metasurfaces, i.e., planar nanostructured metamaterials—with a specific focus on its use for molding and controlling optical vortices.

1.
P.
Coullet
,
L.
Gil
, and
F.
Rocca
,
Opt. Commun.
73
,
403
(
1989
).
2.
A.
Forbes
,
Philos. Trans. R. Soc., A
375
,
20150436
(
2017
).
3.
N. R.
Heckenberg
,
R.
McDuff
,
C. P.
Smith
, and
A. G.
White
,
Opt. Lett.
17
,
221
(
1992
).
4.
A.
Forbes
,
A.
Dudley
, and
M.
McLaren
,
Adv. Opt. Photonics
8
,
200
(
2016
).
5.
M. W.
Beijersbergen
,
L.
Allen
,
H. E. L. O.
van der Veen
, and
J. P.
Woerdman
,
Opt. Commun.
96
,
123
(
1993
).
6.
M. W.
Beijersbergen
,
R. P. C.
Coerwinkel
,
M.
Kristensen
, and
J. P.
Woerdman
,
Opt. Commun.
112
,
321
(
1994
).
7.
R.
Fickler
,
G.
Campbell
,
B.
Buchler
,
P. K.
Lam
, and
A.
Zeilinger
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
113
,
13642
(
2016
).
8.
G.
Biener
,
A.
Niv
,
V.
Kleiner
, and
E.
Hasman
,
Opt. Lett.
27
,
1875
(
2002
).
9.
L.
Marrucci
,
C.
Manzo
, and
D.
Paparo
,
Phys. Rev. Lett.
96
,
163905
(
2006
).
11.
H.
Ren
,
G.
Briere
,
X.
Fang
,
P.
Ni
,
R.
Sawant
,
S.
Héron
,
S.
Chenot
,
S.
Vézian
,
B.
Damilano
,
V.
Brändli
,
S. A.
Maier
, and
P.
Genevet
,
Nat. Commun.
10
,
2986
(
2019
).
12.
E.
Hasman
,
G.
Biener
,
A.
Niv
, and
V.
Kleinerin
,
Progress in Optics
(
Elsevier
,
2005
), Vol.
47
, pp.
215
289
.
13.
N.
Yu
,
P.
Genevet
,
M. A.
Kats
,
F.
Aieta
,
J.-P.
Tetienne
,
F.
Capasso
, and
Z.
Gaburro
,
Science
334
,
333
(
2011
).
14.
E.
Karimi
,
S. A.
Schulz
,
I.
De Leon
,
H.
Qassim
,
J.
Upham
, and
R. W.
Boyd
,
Light: Sci. Appl.
3
,
e167
(
2014
).
15.
K. E.
Chong
,
I.
Staude
,
A.
James
,
J.
Dominguez
,
S.
Liu
,
S.
Campione
,
G. S.
Subramania
,
T. S.
Luk
,
M.
Decker
,
D. N.
Neshev
,
I.
Brener
, and
Y. S.
Kivshar
,
Nano Lett.
15
,
5369
(
2015
). pMID: 26192100.
16.
R. C.
Devlin
,
A.
Ambrosio
,
D.
Wintz
,
S. L.
Oscurato
,
A. Y.
Zhu
,
M.
Khorasaninejad
,
J.
Oh
,
P.
Maddalena
, and
F.
Capasso
,
Opt. Express
25
,
377
(
2017
).
17.
R. C.
Devlin
,
A.
Ambrosio
,
N. A.
Rubin
,
J. P. B.
Mueller
, and
F.
Capasso
,
Science
358
,
896
(
2017
).
18.
A.
She
,
S.
Zhang
,
S.
Shian
,
D. R.
Clarke
, and
F.
Capasso
,
Opt. Express
26
,
1573
(
2018
).
19.
H.
Kobayashi
,
K.
Nonaka
, and
M.
Kitano
,
Opt. Express
20
,
14064
(
2012
).
20.
N.
Radwell
,
R. D.
Hawley
,
J. B.
Götte
, and
S.
Franke-Arnold
,
Nat. Commun.
7
,
10564
(
2016
).
21.
A.
Kodigala
,
T.
Lepetit
,
Q.
Gu
,
B.
Bahari
,
Y.
Fainman
, and
B.
Kanté
,
Nature
541
,
196
(
2017
).
22.
B.
Wang
,
W.
Liu
,
M.
Zhao
,
J.
Wang
,
Y.
Zhang
,
A.
Chen
,
F.
Guan
,
X.
Liu
,
L.
Shi
, and
J.
Zi
,
Nat. Photonics
14
,
623
(
2020
).
23.
C.
Huang
,
C.
Zhang
,
S.
Xiao
,
Y.
Wang
,
Y.
Fan
,
Y.
Liu
,
N.
Zhang
,
G.
Qu
,
H.
Ji
,
J.
Han
,
L.
Ge
,
Y.
Kivshar
, and
Q.
Song
,
Science
367
,
1018
(
2020
).
24.
B.
Bahari
,
F.
Vallini
,
T.
Lepetit
,
R.
Tellez-Limon
,
J.
Park
,
A.
Kodigala
,
Y.
Fainman
, and
B.
Kante
, arXiv:1707.00181 (
2017
).
25.
L.
Huang
,
S.
Zhang
, and
T.
Zentgraf
,
Nanophotonics
7
,
1169
(
2018
).
26.
X.
Fang
,
H.
Ren
, and
M.
Gu
,
Nat. Photonics
14
,
102
(
2020
).
27.
Y.-W.
Huang
,
N. A.
Rubin
,
A.
Ambrosio
,
Z.
Shi
,
R. C.
Devlin
,
C.-W.
Qiu
, and
F.
Capasso
,
Opt. Express
27
,
7469
(
2019
).
28.
H.
Sroor
,
Y.-W.
Huang
,
B.
Sephton
,
D.
Naidoo
,
A.
Vallés
,
V.
Ginis
,
C.-W.
Qiu
,
A.
Ambrosio
,
F.
Capasso
, and
A.
Forbes
,
Nat. Photonics
14
,
498
(
2020
).
29.
B.
Sephton
,
A.
Dudley
, and
A.
Forbes
,
Appl. Opt.
55
,
7830
(
2016
).
30.
I.
Nape
,
B.
Sephton
,
Y.-W.
Huang
,
A.
Vallés
,
C.-W.
Qiu
,
A.
Ambrosio
,
F.
Capasso
, and
A.
Forbes
,
APL Photonics
5
,
070802
(
2020
).
31.
M.
Piccardo
and
A.
Ambrosio
, arXiv:2006.10402 (
2020
).
32.
S.
Divitt
,
W.
Zhu
,
C.
Zhang
,
H. J.
Lezec
, and
A.
Agrawal
,
Science
364
,
890
(
2019
).
33.
A.
Forbes
,
A.
Aiello
,
B.
Ndagano
, and
T. D.
Visser
,
Prog. Opt.
64
,
99
153
(
2019
).
34.
G.
Milione
,
H. I.
Sztul
,
D. A.
Nolan
, and
R. R.
Alfano
,
Phys. Rev. Lett.
107
,
053601
(
2011
).
35.
B.
Ndagano
,
I.
Nape
,
M. A.
Cox
,
C.
Rosales-Guzman
, and
A.
Forbes
,
J. Lightwave Technol.
36
,
292
(
2018
).
36.
Y.
Bao
,
J.
Ni
, and
C.-W.
Qiu
,
Adv. Mater.
32
,
1905659
(
2020
).
37.
H.
Rubinsztein-Dunlop
,
A.
Forbes
,
M. V.
Berry
,
M. R.
Dennis
,
D. L.
Andrews
,
M.
Mansuripur
,
C.
Denz
,
C.
Alpmann
,
P.
Banzer
,
T.
Bauer
,
E.
Karimi
,
L.
Marrucci
,
M.
Padgett
,
M.
Ritsch-Marte
,
N. M.
Litchinitser
,
N. P.
Bigelow
,
C.
Rosales-Guzmán
,
A.
Belmonte
,
J. P.
Torres
,
T. W.
Neely
,
M.
Baker
,
R.
Gordon
,
A. B.
Stilgoe
,
J.
Romero
,
A. G.
White
,
R.
Fickler
,
A. E.
Willner
,
G.
Xie
,
B.
McMorran
, and
A. M.
Weiner
,
J. Opt.
19
,
013001
(
2017
).
38.
S.
Ohno
,
H.
Hoshina
,
H.
Minamide
, and
T.
Ishihara
, in
Progress in Electromagnetics Research Symposium
(
2018
), pp.
2023
2026
.
39.
T.
Omatsu
,
K.
Miyamoto
, and
A. J.
Lee
,
J. Opt.
19
,
123002
(
2017
).
40.
L.
Rego
,
K. M.
Dorney
,
N. J.
Brooks
,
Q. L.
Nguyen
,
C.-T.
Liao
,
J.
San Román
,
D. E.
Couch
,
A.
Liu
,
E.
Pisanty
,
M.
Lewenstein
,
L.
Plaja
,
H. C.
Kapteyn
,
M. M.
Murnane
, and
C.
Hernández-García
,
Science
364
,
eaaw9486
(
2019
).
You do not currently have access to this content.