哈佛大学研发新型光学涡旋技术

如今，能够被引导成螺旋状的光束（称为光学涡旋）已在多个领域得到应用。为了突破结构化光的极限，哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）的应用物理学家们报告了一种新型光学涡旋光束——它不仅能在传播过程中扭转，还能以不同速率改变不同部分的形态，形成独特的光模式。这种光的运动方式与自然界中常见的螺旋形状极为相似。

研究人员从经典力学中借用了术语，将他们首次展示的这种光涡旋昵称为“光学旋转体”（optical rotatum），以描述光束螺旋形态的扭矩如何逐渐变化。在牛顿物理学中，“rotatum”指物体所受扭矩随时间的变化率。

这一“光学旋转体”诞生于SEAS学院应用物理学教授、电气工程高级研究员Federico Capasso的实验室。Capasso表示：“这是光的一种新行为——一种在空间中传播并以特殊方式变化的光学涡旋。它可能在操控微小物质方面具有潜力。”该研究已发表于《科学进展》。

有趣的是，研究人员发现这种携带轨道角动量的光束会以自然界广泛存在的数学可识别模式生长。与斐波那契数列（因《达芬奇密码》闻名）相呼应，他们的“光学旋转体”以对数螺旋形式传播，这种螺旋可见于鹦鹉螺壳、向日葵种子排列和树枝分叉中。

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图1.光的旋转

论文第一作者、卡帕索实验室前研究员Ahmed Dorrah（现为埃因霍温理工大学助理教授）表示：“这是本研究中意料之外的亮点之一。希望我们能启发应用数学领域的专家进一步研究这些光模式，并对其普遍特征获得独特见解。”

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图 2.生成具有空间自扭矩的涡旋光束

技术突破与潜在应用

该研究基于团队此前的工作：他们使用超表面（一种刻有纳米结构以弯曲光的薄透镜）生成具有受控偏振和轨道角动量的光束，可将任何输入光转换为运动中变化的其它结构。如今，他们为光引入了另一个自由度——在传播过程中还可改变其空间扭矩。

论文合著者、卡帕索实验室研究生Alfonso Palmier表示：“我们展示了更高的控制灵活性，并且可以实现连续调控。”

这种特殊光束的潜在应用包括通过引入与光异常扭矩相匹配的新型力，操控悬浮胶体等微小粒子。它还可作为精密光镊，用于微观操作。此前其他团队虽已利用高强度激光和大型装置实现扭矩可调光，但哈佛团队仅用单个液晶显示器和低强度光束便完成了实验。通过证明可在工业兼容的集成设备中生成“旋转体”，该技术的实用门槛较以往大幅降低。

相关链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adr9092