上海理工大学庄松林院士领衔的未来光学国际实验室，由詹其文教授带领的纳米光子学团队基于麦克斯韦方程组和光学保角变换，首次在光学领域实现了优美的涡环结构。相关研究成果以《光学涡环》（Toroidal vortices of light）为题于2022年6月2日正式发表于国际顶级刊物《自然·光子学》（Nature Photonics）。
研究背景
涡环是一种可长距离传播的环状对称结构，比如海豚吹出的气泡涡环、蒲公英飞行时上方的气流涡环、核弹爆炸后生成的蘑菇云。自从1867年英国数学家物理学家开尔文勋爵提出原子的涡环假说，涡环在多个学科的研究中得到广泛关注，如气象学中的微爆气流、心脏病学中的血液流动等。涡环具有环状的涡线，物质围绕涡线旋转，涡环整体沿垂直于环面的方向运动。尽管涡环的研究已出现在多个学科尤其是流体力学，但是其他物理场中的运动涡环结构（比如光学涡环）还从未被报道。
研究创新点
该研究工作从柱坐标系下的麦克斯韦方程组出发，推导出光学涡环是负色散介质中麦克斯韦方程组的近似解。光学涡环是具有中空环状光强分布的波包，环形涡线的周围围绕着时空涡旋相位，波包传播方向与环面垂直方向一致。基于对数极坐标到直角坐标的光学保角映射，从理论到实验证明了光学涡环的生成方法。图1所示为光学变换所需的变换相位和校正相位，以及时空涡管到时空涡环的光学变换演变过程。
图1 光学保角变换实现时空涡管到时空涡环的映射
图2 实验装置示意图
上海理工大学团队在该团队2020年发表于《自然·光子学》（Nature Photonics）“携带横向轨道角动量的时空涡旋光的可控生成”（Generation of spatiotemporal optical vortices with controllable transverse orbital angular momentum）工作的基础上开展了实验验证。图2所示为实验装置图。光源是一个发出皮秒啁啾脉冲的光纤锁模激光器。激光器发出的光脉冲经过由衍射光栅、柱透镜和液晶光调制器组成的二维脉冲整形器。通过液晶光调制器对入射光场施加一个可控的涡旋相位，可以将入射光转化为时空涡旋波包（STOV）。时空涡旋波包经过两个柱透镜组成的光学扩束系统，沿涡线方向拉伸成时空涡管。随后，由第二个和第三个液晶光调制器进行光学保角变换，分别施加变换相位和校正相位，将时空涡管映射成光学涡环。
为了精确测量和表征光学涡环，从光源处分出一束参考光，并通过光栅对压缩成飞秒脉冲,这个飞秒脉冲大约90飞秒，在时间尺度上远小于待测的光学涡环。通过电控调节纳米台和自动测量程序，参考光分别与时空涡环的每一个时间切片进行干涉，通过CCD相机记录干涉条纹，重建光学涡环每一个时间切片的光场信息,进而构建如图3所示的整个光学涡环的等光强面分布和极向时空涡旋相位信息。实验结果验证了光学涡环具有中空环状光强分布和围绕环状涡线旋转的时空螺旋相位的特点。基于以上特点，可推导出光学涡环具有封闭环状的轨道角动量密度分布和围绕环状涡线旋转的坡印廷矢量分布。研究工作对光学涡环的传播也进行了初步的研究，包括在负色散介质中的稳定传播，以及在空气中长距离传播会发生分裂等现象。
总结与展望
光学涡环的理论研究给出了麦克斯韦方程组时空光场全新的近似解，而基于光学变换的理论和实验方法，为三维复杂时空光场的生成和表征提供了崭新的思路。光学涡环的诞生对环状对称电动力学、环状对称等离子物理、光学对称和拓扑、量子物理、天体物理等理论研究，以及光学传感、光操纵、光信息与能量传递等应用研究都将具有重要且深远的意义。
研究工作得到国家自然科学基金委“新型光场调控物理及应用重大研究计划”重点项目(NSFC92050202)的资助。
https://www.nature.com/articles/s41566-022-01013-y