上海理工在光學(xué)渦環(huán)研究方面取得進(jìn)展
海洋館里海豚吹出的氣泡、山野間蒲公英飛行時(shí)形成的氣流、核彈爆炸生成的蘑菇云……這看似不相關(guān)的場(chǎng)景，卻都蘊(yùn)藏著一種神奇的渦環(huán)現(xiàn)象，在流體力學(xué)等多個(gè)學(xué)科被廣泛研究及應(yīng)用。那么，在光學(xué)領(lǐng)域，“光”能否實(shí)現(xiàn)渦環(huán)結(jié)構(gòu)呢？這一問(wèn)題在國(guó)際研究領(lǐng)域尚處于空白 tvq((2
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北京時(shí)間6月2日晚23時(shí)，在上海理工大學(xué)莊松林院士領(lǐng)銜的未來(lái)光學(xué)國(guó)際實(shí)驗(yàn)室里，詹其文教授帶領(lǐng)的納米光子學(xué)團(tuán)隊(duì)填補(bǔ)了這一空白。詹其文教授等人基于麥克斯韋方程組和光學(xué)保角變換，在國(guó)際上首次在理論上完整推導(dǎo)并在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了優(yōu)美的光學(xué)渦環(huán)結(jié)構(gòu)，這種在時(shí)空間上把“光”作出各種“結(jié)構(gòu)”的操作，讓團(tuán)隊(duì)成為“雕刻時(shí)光”的匠人。 es=OWJt^
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團(tuán)隊(duì)相關(guān)研究成果以《光學(xué)渦環(huán)》（Toroidal vortices of light）為題正式發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)期刊《自然•光子學(xué)》（Nature Photonics）上。期刊審稿人對(duì)此評(píng)價(jià)道：“我認(rèn)為這個(gè)壯舉是一個(gè)非常漂亮的結(jié)果，展示了一個(gè)復(fù)雜的三維光學(xué)奇異結(jié)構(gòu)，這是從來(lái)沒(méi)有演示過(guò)的，據(jù)我所知，甚至都沒(méi)有人設(shè)想過(guò)。這是我們?cè)诳刂乒鈭?chǎng)時(shí)空間結(jié)構(gòu)方面的又一突破�！� J(w FJg\/
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據(jù)了解，這一成果的發(fā)現(xiàn)為三維復(fù)雜時(shí)空光場(chǎng)的生成和表征提供了嶄新的思路，對(duì)于環(huán)狀對(duì)稱電動(dòng)力學(xué)、環(huán)狀對(duì)稱等離子物理、光學(xué)對(duì)稱和拓?fù)洹⒘孔游锢�、天體物理等理論研究，以及光學(xué)傳感、光操縱、光信息與能量傳遞等應(yīng)用研究都將具有重要且深遠(yuǎn)的意義。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委“新型光場(chǎng)調(diào)控物理及應(yīng)用重大研究計(jì)劃”重點(diǎn)項(xiàng)目(NSFC92050202)的資助。 -~X[j2
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其實(shí)，這已經(jīng)不是該團(tuán)隊(duì)第一次完成令國(guó)際矚目的新突破，2020年詹其文就帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在《自然•光子學(xué)》（Nature Photonics）上發(fā)表研究成果“攜帶橫向軌道角動(dòng)量的時(shí)空渦旋光的可控生成”（Generation of spatiotemporal optical vortices with controllable transverse orbital angular momentum），開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)全新的光子軌道角動(dòng)量自由度，在光學(xué)領(lǐng)域刮起了光子“颶風(fēng)”。也是在這一成果的基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)耗時(shí)兩年，從理論到實(shí)驗(yàn)證明了光學(xué)渦環(huán)的生成方法，從而將對(duì)光的操控提高到全新的水平。 ZE~ zs~z|
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“如果把2020年發(fā)現(xiàn)的光子‘颶風(fēng)’比作帶有孔的‘珠子’，那么如今的成果，則類(lèi)似于將很多光子‘颶風(fēng)’串成環(huán)形的‘手鐲’，就像孩子做手工一樣，我們通過(guò)‘調(diào)控’光場(chǎng)時(shí)空間結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了一種前所未有的光場(chǎng)狀態(tài)。從某種意義上來(lái)說(shuō)，我們的工作體現(xiàn)了光場(chǎng)時(shí)空調(diào)控的范式改變。”詹其文科普道，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)對(duì)光學(xué)渦環(huán)的傳播進(jìn)行了初步的研究，包括在負(fù)色散介質(zhì)中的穩(wěn)定傳播，以及在空氣中長(zhǎng)距離傳播會(huì)發(fā)生分裂等現(xiàn)象。 ErQ6a%~,
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為何要在光學(xué)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)渦環(huán)結(jié)構(gòu)？如何用常見(jiàn)的光學(xué)原理、基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備在國(guó)際上率先做出這樣的新成果？在詹其文看來(lái)，科學(xué)探索就是不斷地“開(kāi)疆拓土”，比別人“多想一步”�？蒲泄ぷ髡咴丛床粩嗟幕A(chǔ)創(chuàng)新成果，其他的同行或者跨學(xué)科的科研人員看到之后或許“思路大開(kāi)”，將一些從來(lái)“不可能的”變成了“可能”，新的應(yīng)用也應(yīng)運(yùn)而生，這就是努力實(shí)現(xiàn)從0到1基礎(chǔ)創(chuàng)新的終極意義。 ]0j_yX
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[attachment=112759] *;~u 5y2b 光學(xué)保角變換實(shí)現(xiàn)時(shí)空渦管到時(shí)空渦環(huán)的映射 Fop +xR,Z g2=PZR$ [attachment=112760] NK(_ &.F
實(shí)驗(yàn)裝置示意圖
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