综述：涡旋光束在光学计量学中的重要进展

计量学是现代工业的基石，为我们衡量世界提供了关键的标准。特别是光学计量学，历史上一直利用干涉的概念，自托马斯·杨200多年前的时代以来基本没有变化。然而，通过将条纹概念外推到其他自由度，能否获取更多信息呢？

在《光：科学与应用》上发表的一篇最新论文（题为“Metrology with a twist: probing and sensing with vortex light”）中，，西安电子大学郭立新教授领导的一个科学家团队分享了他们对涉及轨道角动量（OAM）的光学计量学过去和未来的看法。

图片:搜狗截图20250107174939.png

这篇论文探讨了该领域的基本原理、应用和开创性的进展。研究人员展示了携带OAM的涡旋光束如何用于测量的新范例，例如，利用现代多普勒效应的解释，通过观察取决于OAM和偏振的频率变化来进行3D粒子位置跟踪。

南非金山大学的通讯作者Andrew Frobes教授说：“原始的多普勒效应只能追踪物体朝向或远离观察者的运动，但在标量和矢量光中加入轨道角动量后，就可以追踪所有方向的运动，包括旋转运动。这一进步彻底改变了动态系统的计量学。”

这不仅是现有工具范式的转变，还有全新仪器的发明推动着这个领域向前发展。其中一个例子是OAM光谱作为系统的“特征标识”：当携带OAM的光穿过复杂介质时，其OAM会改变，从而导致OAM光谱形状的变化。

主要作者程明建博士说：“这种介质的OAM指纹包含了大量可以利用的信息。”

正如综述所强调的，如果通过机器学习和人工智能来解读OAM光谱，就为复杂介质的实时分析和识别打开了大门，OAM光作为一种探针，这一话题正迅速受到关注。

这篇综述不仅不仅涵盖了经典的光学计量，还探讨了在量子纠缠叠加态和单光子态中应用OAM的潜力。向量子领域的过渡有望通过减少测量次数来降低噪声，从而提升准确性和精度。然而，这个领域的这一方面仍处于发展的早期阶段。

Andrew Frobes教授说：“利用OAM的量子计量学仍然是一个新兴领域，有众多尚未发掘的机会。”

这篇综合综述涵盖了从微观尺度的纳米传感到宇宙尺度测量黑洞等广泛应用。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01665-1