光的 Rotatum

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开放获取 研究文章 应用物理

光的 Rotatum

Ahmed H. Dorrah https://orcid.org/0000-0002-1643-0035 dorrah@seas.harvard.edu, Alfonso Palmieri https://orcid.org/0009-0005-2682-6673, Lisa Li https://orcid.org/0000-0001-7430-8671, and Federico Capasso https://orcid.org/0000-0003-4534-8249 dorrah@seas.harvard.edu

作者信息与单位

Science Advances 2025 年 4 月 11 日 第 11 卷，第 15 期 DOI: 10.1126/sciadv.adr9092

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摘要

涡旋在自然界中无处不在，可以在流体、凝聚态物质，甚至星系的形成中观察到。光也可以像涡旋一样演化。光学涡旋光束被用于光与物质的相互作用、自由空间通信和成像。在这里，我们介绍了光学 rotatum，这是一种光的行为，其中光学涡旋光束在其轨道角动量沿光路经历二次啁啾。我们表明，这种拓扑结构的绝热变形与 Gouy 相因子的积累有关，而 Gouy 相因子又会扰动光束的传播常数（空间频率）。光学 rotatum 的空间结构遵循对数螺旋——这种特征常见于海螺和星系的图案形成中。我们的工作扩展了先前关于结构化光的文献，为光与物质的相互作用、通信和传感提供了新的模式，并暗示了凝聚态物理学和玻色-爱因斯坦凝聚体中的类似效应。

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引言

涡旋流动是自然界中许多系统的标志，常见于湍流、烟圈、龙卷风、电流和磁流，甚至星系的形成中（[1](https://www.science.org/doi/10.1126/<#R1>））。包括光在内的电磁辐射也可以像涡旋一样在空间（[2](https://www.science.org/doi/10.1126/<#R2>）, 3和时间（4–[7](https://www.science.org/doi/10.1126/<#R7>））中演化。 光学涡旋光束通常以 e i ℓϕ 的方位角相位依赖性为特征，其中 ℓ 表示相位的斜率（[8](https://www.science.org/doi/10.1126/<#R8>））。 这种轮廓具有轴上相位奇点，迫使坡印廷矢量偏离轴。 反过来，坡印廷矢量的这种非零横向分量会产生每光子 ℓℏ 的轨道角动量 (OAM)（9, [10](https://www.science.org/doi/10.1126/<#R10>））。 除了其丰富的物理特性之外，涡旋光束还为光与物质的相互作用提供了新的自由度（11–13，并已用于自由空间通信（14, 15，遥感（16–[18](https://www.science.org/doi/10.1126/<#R18>）），成像（19, [20](https://www.science.org/doi/10.1126/<#R20>）），量子信息处理（21–[23](https://www.science.org/doi/10.1126/<#R23>））以及许多其他应用（24, [25](https://www.science.org/doi/10.1126/<#R25>））。 多种工具已被用于生成光学涡旋光束，包括数字全息术（26, [27](https://www.science.org/doi/10.1126/<#R27>）），超表面（28–[30](https://www.science.org/doi/10.1126/<#R30>）），螺旋（[31](https://www.science.org/doi/10.1126/<#R31>））和几何相位板（[32](https://www.science.org/doi/10.1126/<#R32>））。

OAM 是自由空间传播下的守恒量，并且与量化的拓扑电荷 ℓ 相关联。 因此，OAM 不能被自由修改（33–[35](https://www.science.org/doi/10.1126/<#R35>））。 然而，由于丰富的先进波前整形工具，已经报道了几种复杂的涡旋光束模式。 例如，现在可以在光路（36–[42](https://www.science.org/doi/10.1126/<#R42>））上局部调制光的涡度。 在这种情况下，可以理解的是，OAM 密度可能在局部（在光束的中心）变化，同时保持全局 OAM 在沿传播方向的每个平面上守恒（37, [43](https://www.science.org/doi/10.1126/<#R43>））。 这种类型的涡旋光束已用于折射率测量，通过将光的旋转映射到未知的折射率（[17](https://www.science.org