光学涡旋对新动态：解锁纯相位涡旋对光束的奥秘

为深入理解涡旋相互作用，研究人员探究纯相位涡旋对光束（PPVPBs）动力学，发现独特现象，意义重大。

　　

光学涡旋的奇幻之旅：探索 PPVPBs 的神秘世界

在大自然的舞台上，涡旋现象无处不在。从潺潺溪流中的微小漩涡，到大气中威力巨大的台风、飓风，再到浩瀚宇宙里的螺旋星系，涡旋以各种奇妙的形式展现着自己的魅力。在光学领域，光学涡旋（Optical Vortices）同样引人注目，它的中心有着独特的黑暗核心，相位不确定且振幅为零。这些特性让光学涡旋在光学微操纵、光通信、量子信息、超分辨率成像以及光学测量等众多前沿领域都有着广泛的应用。

当光场中存在多个涡旋时，它们之间的相互作用会产生一系列新奇有趣的现象，比如涡旋结、涡旋碰撞，以及涡旋的产生、湮灭或成核过程。其中，两个涡旋的相互作用是一个基础且关键的研究场景。在大气科学中，两个台风相互靠近时会出现藤原效应（Fujiwhara effect）；在光学领域，涡旋对光束（Vortex - Pair Beams，VPBs）中两个涡旋之间的吸引和排斥动态也备受关注。VPBs 分为等极性涡旋对（两个涡旋具有相同的拓扑电荷，Topological Charges，TCs）和涡旋偶极子（两个涡旋具有相反的 TCs）。

以往的研究大多基于复振幅涡旋对光束（Complex - Amplitude VPBs，CAVPBs）模型，在这个模型中，每个涡旋都经历了复振幅调制，这在一定程度上限制了人们对多个涡旋内在动力学的全面理解。尽管纯相位涡旋对光束（Pure - Phase VPBs，PPVPBs）已被提出并应用于光捕获和操纵，但此前其动力学却从未被报道过。为了填补这一空白，进一步深入了解涡旋之间的相互作用，研究人员踏上了探索 PPVPBs 动力学的征程。此次研究成果发表在《SCIENCE ADVANCES》上。

研究方法：窥探光学涡旋奥秘的钥匙

研究人员为了探究 PPVPBs 的动力学，采用了多种关键技术方法。在实验方面，他们利用只相位空间光调制器（SLM），结合一系列光学元件，如半波片、偏振分束器、扩束器等，成功产生了 PPVPBs。通过干涉法和相机拍摄干涉图案，再利用傅里叶变换方法重建 PPVPB 的相位分布，最后借助相位奇点搜索算法确定涡旋的位置。在理论研究中，运用矩阵光学理论中的柯林斯公式（Collins formula），结合不同光学系统（如自由空间和 2 - f 透镜系统）的光线传输矩阵，来预测光场的演化，从而得到涡旋的理论位置。

研究结果：PPVPBs 的奇妙现象大揭秘

1. PPVPBs 的光场特性：PPVPBs 由两个纯相位涡旋组成，其表达式与 CAVPBs 不同，幅度始终为 1，不涉及振幅调制。通过对比 PPVPBs 和 CAVPBs 的模式纯度，发现它们的轨道角动量（OAM）光谱有着本质区别。在光场演化过程中，PPVPBs 的强度分布会在光场中形成类似水波涟漪的图案，这突出了涡旋之间的相互作用，而 CAVPBs 的强度分布在传播过程中则更加稳定。
2. 自由空间中涡旋的动力学：当m1?=m2?=1时，两个正涡旋会各自旋转并逐渐相互排斥，其轨迹关于横向平面的原点中心对称；当m1?=?m2?=1时，正负涡旋在传播过程中各自旋转，轨迹关于 y 轴对称。而且，PPVPBs 中每个涡旋在自由空间的轨迹都是螺旋状的，涡旋之间的相互作用还会导致涡旋间距离发生振荡变化，这种旋转和振荡并存的现象就像涡旋在跳舞，在之前的线性偏振 CAVPBs 中从未被观察到。相对离轴距离（u~0?）对涡旋振荡现象起着关键作用，u~0?越大，涡旋振荡持续的传播距离越长。此外，当u~0?小于某个特定值时，具有相反 TCs 的涡旋在传播一段距离后会相互湮灭，且 PPVPBs 中涡旋湮灭的u~0?临界值与 CAVPBs 不同。对于具有更高阶 TCs 的 PPVPBs，如m1?=m2?=2或m1?=?m2?=2，初始的高阶涡旋在传播过程中会不稳定地分裂成多个单位涡旋，伴随着涡旋的纠缠、螺旋运动以及成核和湮灭现象。
3. 聚焦系统中涡旋的动力学：由于远场区域的光场与 2 - f 透镜系统后焦平面的光场相似，研究人员通过改变 2 - f 透镜系统中 z 的值，研究 PPVPBs 在聚焦系统中涡旋的湮灭过程。以m1?=?m2?=1为例，当u~0?足够大时，正负涡旋会振荡并在焦平面上持续存在；当u~0?为特定值（如 0.358）时，正负涡旋会在焦平面上合并湮灭；当u~0?更小时，湮灭现象会在焦平面之前发生。而且，PPVPBs 中涡旋湮灭的u~0?临界值比 CAVPBs 小很多，这意味着在相同条件下，PPVPBs 中相反涡旋的动力学特性更强，湮灭过程更慢，涡旋能够在更长的距离上存活，这种现象与大气中两个台风的藤原效应相似。对于m1?=?m2?=2、m1?=?m2?=3和m1?=?m2?=4等情况，会观察到多个具有 ±1 TCs 的涡旋对，每个涡旋对都有其对应的在焦平面上湮灭的u~0?临界值，并且在聚焦系统中也能观察到涡旋的振荡、跳舞、纠缠和螺旋行为。

研究结论与意义：照亮光学涡旋研究新方向

这项研究成功揭示了 PPVPBs 在自由空间和聚焦系统中的动态行为。对于具有单位涡旋的 PPVPBs，涡旋轨迹呈螺旋结构，涡旋间距离振荡；对于具有高阶涡旋的 PPVPBs，初始高阶涡旋在传播过程中会分裂成多个单位涡旋，伴随着复杂的涡旋相互作用。这些独特的现象可以从光流体动力学的角度进行物理解释，并且初始平面上涡旋对之间的距离是控制涡旋跳舞的关键参数，而涡旋跳舞又延长了具有相反 TCs 涡旋的湮灭过程。

该研究成果不仅加深了人们对涡旋相互作用的理解，为光学物理和量子流体等领域中涡旋动力学的研究提供了新的视角，还在光学微操纵和光涡旋信息传输等实际应用方面展现出了巨大的潜力。它就像一把钥匙，打开了光学涡旋研究的新大门，让人们看到了更多未知的可能，为相关领域的进一步发展奠定了坚实的基础。