山东师范大学在超维时空光场调控领域取得重要进展

导读：

近日，山东师范大学蔡阳健教授团队在超维时空光场调控领域取得重要进展。研究团队通过协同调控光子的横向与纵向轨道角动量，系统研究了光子环形涡环在两者共同作用下的传输动力学行为，实现了三维时空光学涡环在空气中的稳健长距离传输。相关研究成果以题为 “Dynamics of photonic toroidal vortices mediated by orbital angular momenta” 的论文发表于《Science Advances》 [Sci. Adv. 11, eadz0843 (2025)]。

山东师范大学青年教师刘欣博士为论文第一作者，蔡阳健教授为通讯作者，共同通讯作者还包括梁春豪教授（山东师范大学）与詹其文教授（上海理工大学）。该研究工作得到了国家自然科学基金重大项目、国家重点研发计划项目课题等多项科研项目的资助支持。

研究背景：

环形涡流在自然界和流体力学中广泛存在，例如烟圈、水中的空化气泡、热力学过程产生的蘑菇云，以及微生物运动、蒲公英种子传播和动物器官中血液流动等。尽管环形涡的结构相对简单，其演化过程却极为复杂，因此长期以来吸引着研究者在不同流体环境中探索其动力学规律。光场的轨道角动量源自其螺旋相位结构，是描述光场空间分布与动量特征的重要自由度。传统研究主要聚焦于光传播方向上的纵向轨道角动量，其与拓扑荷密切相关，已在光学操控、信息传输及量子调控等领域展现出独特优势。近年来，随着对光场时空结构的深入探索，人们逐渐认识到光场中还存在与传播方向正交的横向轨道角动量。然而，横向与纵向轨道角动量之间的相互作用与耦合机制仍缺乏系统研究。两者的协同演化可能导致新的角动量守恒规律、能量流形态及光学拓扑结构的出现，进而为光的动量调控、时空结构调制以及新型拓扑光场的构建提供新的物理途径。在电磁学中，环形涡旋对应于一种三维、时空不可分的结构光场，携带横向轨道角动量。作为色散麦克斯韦方程的解，这类波包在无色散介质中的动力学行为尚未完全阐明，而如何实现其稳定的远场传输仍是一个亟待突破的技术难题。

研究亮点：

1.提出横纵轨道角动量协同调控的新机制

团队创新性地将超快激光整形技术与变换光学理论相结合，构建了能够同时携带横向与纵向轨道角动量的环形光子涡旋场，为研究光场角动量的耦合动力学提供了新范式。

2.揭示纵向和横向轨道角动量介导的拓扑动力学行为

系统研究了在不同色散条件下光学涡环的时空演化行为，发现纵向轨道角动量在涡旋动力学中起关键作用，可诱导涡流结构的断裂与再构，形成“湮灭-再生”的拓扑转变过程。

3.发现可自保持传播的再生环形涡旋态

研究发现再生后的环形涡环能够在空气中保持稳定传输，展现出独特的结构稳态与自保持特性，为拓扑稳态光场的构建与操控提供了新的物理途径。 

图1. 光子环形涡环示意图。A. 不同视角下携带横向轨道角动量的涡环等强度面图及相位分布；B. 环形涡环加入纵向轨道角动量的相位分布；C和D. 携带不同纵向轨道角动量下的涡环等相位线分布。 

图2. 合成和传播光子涡环的实验装置图。其中SLM1加载携带啁啾的螺旋相位生成携带横向轨道角动量的时空光涡旋；SLM2和SLM3分别加载保角变换相位以及准直与螺旋相位产生携带纵向轨道角动量的环形涡环波包。 

图3. 光子环形涡环的色散动力学的实验研究；A. 不同视角下光源面三维环形涡环等强度面分布，呈现环形甜甜圈形状，其中红色表示奇点涡旋线；B. 无纵向轨道角动量的涡环在空气中传输后的等强度分布；C. 携带纵向轨道角动量的涡环在空气中传输后的等强度分布；D和E. 分别为携带纵向轨道角动量的涡环在正常和反常色散介质中传输后的等强度分布。

总结与展望：

团队成员结合超快激光整形与变换光学技术，研究了光子环形涡环在不同色散条件下、横向与纵向轨道角动量的共同介导的动力学演化行为。研究结果表明，纵向轨道角动量对环形涡环的运动影响尤为显著：横向涡流在色散作用下会破坏环形结构，引发涡旋线的拓扑转变，表现为在真空中先湮灭后再生。而再生的环形涡旋却能够在真空中保持稳定传播，同时携带横向和纵向轨道角动量，并维持其独特的结构特性。因此，探索横纵轨道角动量的内在联系与耦合效应，不仅对于深化对光场角动量本质的理解具有重要意义，也为发展高维光学信息处理和复杂光场拓扑控制开辟了新的研究方向。研究结果有望使光子环形涡环作为可控能量与信息定向传输通道、光与物质相互作用以及构建稳定拓扑光场的应用潜力。

论文信息：

X. Liu, N. Zhang, Q. Cao, J. Liu, C. Liang, Q. Zhan, Y. Cai, Dynamics of photonic toroidal vortices mediated by orbital angular momenta. Sci. Adv. 11, eadz0843 (2025).

https://doi.org/10.1126/sciadv.adz0843