光学涡旋的二次量子化：轨道角动量非线性调制的光旋转效应及其应用

《SCIENCE ADVANCES》：Rotatum of light

编辑推荐：本研究首次提出"光学旋转量(optical rotatum)"概念，通过引入轨道角动量(OAM)的二次啁啾(d2Lz/dz2≠0)，实现了涡旋光束拓扑电荷的抛物线型演化，揭示了伴随古伊(Gouy)相位因子的动力学机制，为光镊操控、量子信息处理提供了新维度。

　　在自然界中，涡旋现象无处不在——从龙卷风的螺旋结构到星系形成的宏伟图案，旋转运动蕴含着丰富的物理规律。光作为一种电磁波，同样可以携带轨道角动量(OAM)，形成具有螺旋相位波前的涡旋光束。这类光束在光镊操控、量子通信等领域展现出独特优势，其核心特征表现为相位奇点和非零的横向坡印廷矢量。然而，传统涡旋光束的OAM在自由空间传播中保持恒定，这种"静态"特性限制了其在多维操控、深度传感等场景的应用潜力。

针对这一局限，来自未知机构的研究团队在《SCIENCE ADVANCES》发表了开创性研究。他们突破OAM守恒的限制，首次实现了轨道角动量的非线性空间调制，提出了"光学旋转量"这一全新物理概念。通过理论推导和实验验证，研究人员构建了OAM随传播距离呈二次函数变化的特殊涡旋光束，其拓扑电荷演化遵循?(z)~100z²的抛物线规律，对应的二阶导数d²L_z/dz²≠0。

研究采用了三个关键技术方法：1）基于空间光调制器(SLM)的波前整形系统，通过4-f光学架构生成复杂全息图；贝塞尔光束叠加法构建空间频率梳，实现方位角依赖的k矢量梯度；3）单光束多强度重建(SBMIR)相位恢复技术，通过CCD平移扫描获取传播依赖的相位分布。

在"线性增长涡旋光束"部分，研究团队通过设计e^i10z?的相位轮廓，实现了拓扑电荷从?=0到?=2的线性演化。实验显示初始光束中心存在由快速/慢速空间振荡交界形成的分叉区域，伴随交替极性的相位链。有效电荷?_eff测量证实了设计的线性增长规律，局部窗口测量与全局OAM守恒定律完美吻合。

"非单调线性OAM演化"章节展示了更复杂的动力学行为。通过叠加增长型(e^i?(z)?)和衰减型(e^i(?<>)涡旋光束，实现了OAM先增后减的"自扭矩反转"现象。研究发现伴随OAM演化的古伊相位因子会扰动光束的空间频率，导致即使相同?值下光束尺寸也会因传播方向不同而产生红移/蓝移。

研究核心突破体现在"二次OAM演化"部分。通过求解傅里叶积分获得复振幅系数?_n(?)，构建了e^{i100z2?>的抛物线型相位轮廓。实验观测到独特的对数螺旋奇点分布模式，其曲率与斐波那契黄金比接近。相位奇点通过暗条纹向光束中心输运，每个传播平面新增一个奇点，有效电荷测量?_eff完美复现了设计的二次增长曲线。}

在讨论部分，研究强调了三个重要发现：1）光学旋转量是电磁系统中首次观测到的二阶OAM导数效应；2）绝热拓扑变形伴随的古伊相位会扰动传播常数，产生k矢量偏移；3）光束外围的螺旋奇点分布具有类似鹦鹉螺贝壳的分形特征。这些发现不仅拓展了结构光调控的维度，更暗示了该效应在声波、电子束等波动物理系统中的普适性。

这项研究的意义体现在多个层面：在基础科学方面，丰富了奇异光学和非线性角动量调控的理论框架；在技术应用层面，为三维胶体分选、谷电子学(valleytronics)提供了新的光力工具箱；在工程领域，基于OAM二次啁啾的"光学标尺"可实现纳米级深度传感。正如研究者指出的，这种携带时空动力学拓扑的光场，有望在阿秒时间-纳米空间尺度的激光操控中开辟崭新途径。