海洋館里海豚吹出的氣泡、山野間蒲公英飛行時形成的氣流、核彈爆炸生成的蘑菇云……這看似不相關(guān)的場景，卻都蘊藏著一種神奇的渦環(huán)現(xiàn)象，在流體力學(xué)等多個學(xué)科被廣泛研究及應(yīng)用。那么，在光學(xué)領(lǐng)域，“光”能否實現(xiàn)渦環(huán)結(jié)構(gòu)呢？這一問題在國際研究領(lǐng)域尚處于空白。

北京時間6月2日晚23時，在上海理工大學(xué)莊松林院士領(lǐng)銜的未來光學(xué)國際實驗室里，詹其文教授帶領(lǐng)的納米光子學(xué)團隊填補了這一空白。詹其文教授等人基于麥克斯韋方程組和光學(xué)保角變換，在國際上首次在理論上完整推導(dǎo)并在實驗上實現(xiàn)了優(yōu)美的光學(xué)渦環(huán)結(jié)構(gòu)，這種在時空間上把“光”作出各種“結(jié)構(gòu)”的操作，讓團隊成為“雕刻時光”的匠人。

團隊相關(guān)研究成果以《光學(xué)渦環(huán)》（Toroidal vortices of light）為題正式發(fā)表于國際頂級期刊《自然?光子學(xué)》（Nature Photonics）上。期刊審稿人對此評價道：“我認為這個壯舉是一個非常漂亮的結(jié)果，展示了一個復(fù)雜的三維光學(xué)奇異結(jié)構(gòu)，這是從來沒有演示過的，據(jù)我所知，甚至都沒有人設(shè)想過。這是我們在控制光場時空間結(jié)構(gòu)方面的又一突破。”

據(jù)了解，這一成果的發(fā)現(xiàn)為三維復(fù)雜時空光場的生成和表征提供了嶄新的思路，對于環(huán)狀對稱電動力學(xué)、環(huán)狀對稱等離子物理、光學(xué)對稱和拓撲、量子物理、天體物理等理論研究，以及光學(xué)傳感、光操縱、光信息與能量傳遞等應(yīng)用研究都將具有重要且深遠的意義。研究工作得到國家自然科學(xué)基金委“新型光場調(diào)控物理及應(yīng)用重大研究計劃”重點項目(NSFC92050202)的資助。

其實，這已經(jīng)不是該團隊第一次完成令國際矚目的新突破，2020年詹其文就帶領(lǐng)團隊在《自然?光子學(xué)》（Nature Photonics）上發(fā)表研究成果“攜帶橫向軌道角動量的時空渦旋光的可控生成”（Generation of spatiotemporal optical vortices with controllable transverse orbital angular momentum），開創(chuàng)了一個全新的光子軌道角動量自由度，在光學(xué)領(lǐng)域刮起了光子“颶風”。也是在這一成果的基礎(chǔ)上，團隊耗時兩年，從理論到實驗證明了光學(xué)渦環(huán)的生成方法，從而將對光的操控提高到全新的水平。

“如果把2020年發(fā)現(xiàn)的光子‘颶風’比作帶有孔的‘珠子’，那么如今的成果，則類似于將很多光子‘颶風’串成環(huán)形的‘手鐲’，就像孩子做手工一樣，我們通過‘調(diào)控’光場時空間結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了一種前所未有的光場狀態(tài)。從某種意義上來說，我們的工作體現(xiàn)了光場時空調(diào)控的范式改變?！闭财湮目破盏溃麕ьI(lǐng)團隊對光學(xué)渦環(huán)的傳播進行了初步的研究，包括在負色散介質(zhì)中的穩(wěn)定傳播，以及在空氣中長距離傳播會發(fā)生分裂等現(xiàn)象。

為何要在光學(xué)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)渦環(huán)結(jié)構(gòu)？如何用常見的光學(xué)原理、基礎(chǔ)的實驗設(shè)備在國際上率先做出這樣的新成果？在詹其文看來，科學(xué)探索就是不斷地“開疆拓土”，比別人“多想一步”?？蒲泄ぷ髡咴丛床粩嗟幕A(chǔ)創(chuàng)新成果，其他的同行或者跨學(xué)科的科研人員看到之后或許“思路大開”，將一些從來“不可能的”變成了“可能”，新的應(yīng)用也應(yīng)運而生，這就是努力實現(xiàn)從0到1基礎(chǔ)創(chuàng)新的終極意義。

光學(xué)保角變換實現(xiàn)時空渦管到時空渦環(huán)的映射

 實驗裝置示意圖

實驗生成的光學(xué)渦環(huán)等光強面分布和極向時空渦旋相位

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論文鏈接

https://www.nature.com/articles/s41566-022-01013-y

供稿：光電學(xué)院、新聞中心

文：董真