研究人员在复杂光场中观察隐藏的变形

日常经验告诉我们，从一面完全平整的镜子中反射出来的光线会呈现出正确的图像，不会产生任何变形。有趣的是，当光场本身结构复杂时，情况却并非如此。微小的变形就会出现。

坦佩雷大学的研究人员现在首次在实验室中观测到了这些变形。研究结果证实了十多年前对这一基本光学效应的预测。这些结果还显示了如何将其用作确定材料特性的方法。

这一基本光学效应的首次观测结果以《Observation of the topological aberrations of twisted light》为题，发表在近日的《自然·通讯》（Nature Communications）上。

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物体扭曲光场的反射图示，显示了拓扑像差效果。

光是一种波。尽管科学家们对这一简单的表述已经熟知了一个多世纪，但光学和光子学研究人员仍在不断发现和探索光波的新特性和新应用。坦佩雷大学的量子光学实验小组（EQO）研究光的形状或结构的细微差别。光的结构已成为现代光学的一个重要课题，其研究进展涉及量子物理学基础、信息科学和光通信等多个领域。

在他们的最新研究成果中，研究人员表明，当光束从一个完全平坦的物体（如镜子）上反射出来时，其形状会发生轻微变形。虽然这种变形非常小，但却包含了物体本身的重要信息，例如它的材质。这种所谓的拓扑像差效应是英国研究人员十多年前预测到的，现在首次被观测到。

“EQO小组组长罗伯特-菲克勒（Robert Fickler）副教授解释说：“虽然观测形变的一般想法看起来相当简单，但我们花了一年多的时间来完善实验，并调整原始理论，以便将这种效应与实验研究中自然出现的所有其他光束形变区分开来。”

光明与黑暗的漩涡

随着近年来光波整形技术的进步，结构光领域在近几十年来蓬勃发展。人们对这一领域的兴趣主要来自于所谓的扭曲光波，这种光波不仅能以光速传播，还能在传播过程中旋转。

该研究的主要作者、科学院博士后研究员Rafael Barros补充道：“这些扭曲光场的奇特之处在于，它们中有一些点是完全黑暗的，我们称之为光学漩涡，就像水中的漩涡，而漩涡本身是无水的。我们所做的就是观察当光束与平面物体相互作用时，这些漩涡是如何穿行和移动的，以及我们能从这些移动中了解到什么。我们所做的就是观察当光束与平面物体相互作用时，这些漩涡是如何穿行和移动的，以及我们能从这些移动中了解到什么。”

光场中涡旋的动力学一直是长期研究的课题，通常被视为一个复杂的数学问题。在他们的工作中，作者们研究了扭曲光场的旋涡在物体反射时是如何运动的。

他们的研究表明，虽然每个光涡旋的运动方式都很复杂，但它们的集体运动是由物体的特性决定的，其方式简单而可预测。研究人员指出，他们的工作将为利用结构波测量材料特性带来新的启发。这将为光学技术带来新的变化。

相关链接：https://phys.org/news/2024-10-hidden-deformations-complex-fields.html

论文链接：https://dx.doi.org/10.1038/s41467-024-52529-6