课题组胡志婵等在《Nature Photonics》上发表文章-陈志刚实验室

课题组胡志婵等在《Nature Photonics》上发表文章

作者: 信息来源: 发布时间: 2025-01-10

“ 涡旋如梦，穿越时空，光启未知的深邃奥秘 ”- 从量子级别的粒子运动到星系级别的恒星分布，涡旋现象在自然界中比比皆是。在光学领域，早在 1992 年 Allen 等人就提出涡旋光束携带轨道角动量（ OAM ），开启了从经典到量子研究涡旋光的新纪元。涡旋光束的探索不仅丰富了光学的基础理论，还在现代通信、量子网络、微纳操控等多个前沿领域展现出重要且诱人的应用前景。然而，涡旋光束的实际应用还面临诸如稳定传播距离受限、保真度低等挑战，亟需新的结构设计与技术原理来解决。

近日，课题组与克罗地亚萨格勒布大学、加拿大国立科学研究院的课题组合作研究，首次设计并构建了具有手征对称性的拓扑旋错光学实验平台，实现了涡旋光的拓扑“双保护”和鲁棒传输，并进一步通过调控结构的拓扑特性实现了特定阶数涡旋模式的拓扑波导和滤模。 这一创新成果拓展了对高阶拓扑、轨道角动量和旋错复杂结构相互作用与协调效应的理解和认知，为光场调控和新型光学涡旋器件的研发提供了新思路。相关研究工作以 “Topological orbital angular momentum extraction and twofold protection of vortex transport” 为题发表于《 Nature Photonics 》。

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研究背景

拓扑光子学的研究历史可以追溯到数学和凝聚态物理中对拓扑现象的探索。 2016 年诺贝尔物理学奖授予了 D. J. Thouless 、 F. D. M. Haldane 和 J. M. Kosterlitz 三位先驱科学家，以表彰他们对 “ 物质的拓扑相变和拓扑相的理论发现 ” 。随后，众多的数学家、理论物理学家和实验科学家为这一领域的发展做出了卓越贡献．拓扑的概念也因此被拓展到光学、声学和冷原子等领域。拓扑相关的物理概念为设计光学微结构和操控光波的传输行为提供了新途径。另一方面，涡旋是在多种物理系统中广泛存在的现象，包括从经典流体力学、天体物理，到量子领域的超导体、超流体和等离子体等。涡旋波 OAM 已在光子、电子等基本粒子以及原子和分子等非基本粒子物质波中都被观测到。在光通信领域，光学 OAM 作为一种新颖的光场调控维度为增强数据复用能力，以满足日益增长的大数据和互联网流量信息需求提供了一种前景可期的解决方案。无疑，光学 OAM 在下一代光通信网络中将起到关键作用，推动超高速、超大容量信息传输系统的实现和发展。

尽管光学 OAM 在诸多领域都备受青睐，但其在实际应用中仍面临一些技术挑战。例如，在长距离传输中，涡旋光易受环境因素的干扰，特别是在自由空间光通信中，大气湍流、温度梯度和光路中微小的障碍物都可能导致涡旋光的失真或衰减，进而影响信号传输的稳定性。在光纤波导中，涡旋光的传输也面临材料缺陷、模式耦合和散射问题，导致不同 OAM 模式之间的串扰，限制了其数据复用能力。解决这些问题需要进一步设计稳定的光学器件，以及开发更先进的信道补偿或模式分离技术，以确保涡旋光在复杂环境中的稳定传输和高效利用。

论文全文：

https://www.nature.com/articles/s41566-024-01564-2

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