莊松林院士團(tuán)隊在新型可穩(wěn)定傳播光學(xué)旋渦研究方面取得重要突破，他們通過提出偏振載體的概念，打破現(xiàn)有關(guān)于分?jǐn)?shù)拓?fù)浜尚郎u光束以及分?jǐn)?shù)階矢量旋渦光束不可傳播的科學(xué)共識，實現(xiàn)分?jǐn)?shù)拓?fù)浜晒鈱W(xué)旋渦在自由空間的穩(wěn)定傳播。該成果以“自由空間中具有天然非整數(shù)軌道角動量的可傳播光學(xué)旋渦”（Propagable optical vortices with natural noninteger orbital angular momentum in free space）為題發(fā)表在《先進(jìn)光子學(xué)研究》（Advanced Photonics Research）上，深圳大學(xué)翁曉羽教授為第一作者，上海理工大學(xué)高秀敏教授為通訊作者。結(jié)合光波模式提取原理，團(tuán)隊實現(xiàn)可傳播整數(shù)和分?jǐn)?shù)拓?fù)浜晒鈱W(xué)旋渦的并行產(chǎn)生，該成果以“基于模式提取技術(shù)并行產(chǎn)生可傳播的整數(shù)和分?jǐn)?shù)拓?fù)浜墒噶繙u旋光束”（Parallel creation of propagable integer- and fractional-order vector vortex beams using mode extraction principle）為題發(fā)表在《光學(xué)快報》（Optics Letters，IF:3.560）上，上海理工大學(xué)博士后苗玉為第一作者，深圳大學(xué)翁曉羽教授為通訊作者（翁曉羽教授畢業(yè)于上海理工大學(xué)，指導(dǎo)教師是莊松林院士），上海理工大學(xué)為第一單位。該系列研究得到了國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年項目、國家自然科學(xué)基金項目、國家基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃等資助。

在旋渦光束相關(guān)研究中，如果把信息比作車子，那么整數(shù)拓?fù)浜尚郎u光束相關(guān)研究則可以為信息建起多層的“停車場”，加大了通信容量進(jìn)而提高速度，讓人們的網(wǎng)絡(luò)速度變快，而若想為這個信息“停車場”加蓋更多空間的樓層，使數(shù)據(jù)存儲更大容量，網(wǎng)絡(luò)速度更快，則需要進(jìn)一步推動分?jǐn)?shù)拓?fù)浜晒鈱W(xué)旋渦的研究。然而自1992年由Allen教授團(tuán)隊首次發(fā)現(xiàn)拉蓋爾高斯光束攜帶軌道角動量（OAM）以來的30年里，學(xué)界仍存在一種共識，即分?jǐn)?shù)拓?fù)浜晒鈱W(xué)旋渦無法在自由空間傳播過程中保持穩(wěn)定，這也就意味著難以實現(xiàn)存儲信息的超大容量“停車場”。

因此，圍繞是否存在分?jǐn)?shù)拓?fù)浜尚郎u光場穩(wěn)定態(tài)這一基礎(chǔ)性科學(xué)問題，莊松林院士團(tuán)隊高秀敏教授及其合作者突破現(xiàn)有偏振奇點和相位奇點相互獨立的傳統(tǒng)觀念，開創(chuàng)性引入偏振維度，研究偏振奇點和相位奇點之間的相互作用，進(jìn)一步地提出偏振載體概念，打破現(xiàn)有關(guān)于分?jǐn)?shù)拓?fù)浜杉胺謹(jǐn)?shù)階矢量旋渦光束不可傳播的科學(xué)共識，證明了l+0.5拓?fù)浜晒鈱W(xué)旋渦與整數(shù)拓?fù)浜晒鈱W(xué)旋渦一樣均為光學(xué)領(lǐng)域的穩(wěn)定態(tài)，將極大推動光儲存、光通信的發(fā)展。

團(tuán)隊還聯(lián)合研發(fā)出偏振型空間光調(diào)制器，使得在實驗上不僅實現(xiàn)了可傳播的分?jǐn)?shù)拓?fù)浜尚郎u光束的產(chǎn)生，而且結(jié)合光波模式提取原理，解決了包括分?jǐn)?shù)階拓?fù)浜稍趦?nèi)的任意光學(xué)旋渦并行產(chǎn)生的科學(xué)問題，也就是說在給信息“停車場”擴(kuò)建的時候，在保證每層樓之間互相獨立、不受干擾的特性下，可以實現(xiàn)盡可能多地擴(kuò)增樓層。

軌道角動量概念被提出的30年來，科學(xué)家們不斷努力，深度挖掘光的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)光的復(fù)雜行為相關(guān)的自由度遠(yuǎn)不止空間、時間、幅度、波長（或頻率）、相位和偏振（光子的自旋）等六個基本要素限制。此次成果的發(fā)現(xiàn)是站在巨人的肩膀上，巧妙建立軌道角動量和自旋角動量之間的聯(lián)系，產(chǎn)生可傳播的分?jǐn)?shù)拓?fù)浜尚郎u光束，并證明其傳輸不變性，不僅加深了對旋渦光束傳播行為的理解，而且為相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域注入新的活力。

分?jǐn)?shù)拓?fù)浜尚郎u光束實驗圖及空間傳輸原理圖

任意拓?fù)浜晒鈱W(xué)旋渦并行產(chǎn)生原理圖

拓?fù)浜晒鈱W(xué)旋渦研究現(xiàn)狀

論文鏈接：

1）自由空間中具有天然非整數(shù)軌道角動量的可傳播光學(xué)旋渦，https://doi.org/10.1002/adpr.202200094

2）基于模式提取技術(shù)并行產(chǎn)生可傳播的整數(shù)和分?jǐn)?shù)拓?fù)浜墒噶繙u旋光束，https://opg.optica.org/ol/fulltext.cfm?uri=ol-47-13-3319&id=477437

3）分?jǐn)?shù)拓?fù)浜晒庑郎u在自由空間穩(wěn)定傳播的物理本質(zhì)，https://arxiv.org/abs/2208.01929

供稿：光電學(xué)院