问题

如何看待光线能以螺旋方式传播?将有哪些应用?

回答
光的螺旋舞步:一种奇妙的传播方式及其无限可能

我们习以为常的光,总是笔直地穿梭于空间,如同看不见的细线,照亮世界。然而,光并非总是如此循规蹈矩,它也能以一种更为优雅、更具动态的方式——螺旋——在空间中传播。这种现象,在微观层面,是量子力学和波动性质的必然体现;在宏观应用层面,则为我们开启了通往精密操控和信息传输新纪元的可能。

光的螺旋传播:微观的优雅,宏观的奥秘

当谈论光的螺旋传播,我们并非指整个光波束整体像麻花一样扭曲,而是更聚焦于光波的“相位”在传播过程中呈现出螺旋状的变化。简单来说,想象一下一个水龙头流出的水流,它本身是向前喷射的,但水流的表面却在旋转。光的螺旋传播,就是光波的“相位”(可以理解为波的振动周期中的某个特定点,比如波峰)在垂直于传播方向的平面上,以一个圆周或螺旋的形式旋转。

这种螺旋状的相位分布,使得光束在传播过程中携带了一种被称为角动量的额外属性。这里的角动量,并不是宏观物体围绕轴心旋转所产生的动量,而是与光波本身的波动性质紧密相连的“轨道角动量”(OAM)。每一个光子,除了自身的自旋角动量(与光子的极化有关),还可以携带不同大小的OAM,而OAM的大小由螺旋的“圈数”或“拓扑荷”决定。

从物理学角度来解释,这种螺旋传播源于光波的横向模式。当光束在传播时,其电场和磁场的振动方式不仅仅是沿着一个方向,而是可以在垂直于传播方向的平面上形成复杂的分布。通过设计特定的光学元件,例如螺旋相位板(Spiral Phase Plate, SPP)或空间光调制器(Spatial Light Modulator, SLM),我们可以对光波的相位进行精细的调制,使其在传播过程中呈现出螺旋状的相位前沿。这些光学元件就像是给光波“量身定制”的舞鞋,引导它们走出螺旋的舞步。

螺旋光束的独特性质:

携带有OAM: 这是最核心的特征。OAM赋予了光束独特的“旋转”属性,使其能够与携带OAM的物质发生更复杂的相互作用。
“空心”的光斑: 理想的螺旋光束在传播中心区域的强度为零,形成一个“空心”的光斑。这就像一个甜甜圈,中间是空的,光能量分布在周围的环形区域。
相位随角度变化: 沿着光束的传播方向,观察者会发现光波的相位并不是均匀变化的,而是随着旋转角度呈现出线性增加或减少的趋势,就像一个螺旋楼梯。

螺旋光束的应用:开启无限可能

螺旋光束的这些独特性质,为我们在科学研究和技术应用领域带来了令人兴奋的机遇,其应用范围正在不断拓展,涉及信息通信、精密测量、微观操纵等多个前沿领域。

1. 海量信息的高速传输:

这是螺旋光束最令人瞩目的应用之一。传统的通信方式,如利用光纤传输信息,主要依赖于改变光的频率(波长)或振幅来编码信息,这就像在一条轨道上运行有限数量的火车。而螺旋光束携带的OAM,提供了一种全新的维度来编码信息。

多路复用: 不同的OAM值(不同的螺旋“圈数”)可以被认为是独立的信息“通道”。也就是说,我们可以将不同OAM值的光束“叠加”在同一束光上,而它们之间不会相互干扰,就像在同一条轨道上同时运行不同颜色的火车。这就大大增加了光纤的传输容量,实现了波长和OAM复用(Wavelength and OAM Division Multiplexing, WDMOAM),使得通信带宽呈几何级数增长。想象一下,一条普通的网线,通过螺旋光束技术,可以承载过去成千上万倍的数据量,这将彻底改变我们对互联网速度的认知。
超高密度存储: 同样,在数据存储领域,OAM也可以用于信息编码,实现更高密度的数据存储。

2. 微观世界的精密操控:

螺旋光束携带的OAM,尤其是其“旋转”的特性,使得它可以对微小的粒子产生“推力”或“扭矩”,从而实现对微观物体的精准操控。

光镊(Optical Tweezers)的升级: 光镊利用激光的动量来捕获和移动微小粒子,已经成为纳米科学和生物技术中的重要工具。而使用螺旋光束作为光镊,由于其携带的OAM,可以对粒子施加旋转力。这使得我们可以不仅能够移动粒子,还能使其像陀螺一样旋转,或者像一个微小的“洗衣机”一样在原地旋转。这在操纵细胞、DNA分子,或者在纳米尺度下组装结构方面具有巨大的潜力。例如,研究人员可以利用螺旋光镊来研究细胞膜的力学性质,或者控制纳米机器人的运动。
定向输运: 螺旋光束的“空心”特性,也使得粒子更容易被引导到光束的中心区域,实现定向的输运。

3. 先进的成像技术:

螺旋光束的独特相位分布,也为开发更精密的成像技术提供了可能。

相位成像: 传统的成像技术主要关注光的强度,而螺旋光束可以被用来探测和成像物体的相位信息,这对于观察透明的生物样本或检测微小结构变化非常有用。
超分辨率成像: 通过结合螺旋光束与一些先进的成像原理,可以突破衍射极限,实现更高分辨率的成像,让我们能够更清晰地看到微观世界的细节。
全息技术: 螺旋光束可以作为全息术中的载体,记录和再现更复杂的物体信息,尤其是在记录物体的三维结构和动态时。

4. 量子信息处理:

在量子信息领域,OAM被认为是潜在的量子比特(qubit)载体。

量子通信: 利用OAM编码的量子态,可以实现更安全、更高效的量子通信,例如用于量子密钥分发。
量子计算: OAM还可以作为量子比特的存储和操控的载体,为构建新型量子计算架构提供了新的思路。

5. 激光加工和材料科学:

螺旋光束的高强度和独特的能量分布,也使其在精密激光加工领域具有应用潜力。

精密切割和焊接: 螺旋光束可以实现对材料更精密的局部加热和切割,尤其是在微纳尺度的加工中。
材料改性: 通过控制螺旋光束的照射,可以改变材料的表面性质或晶体结构,实现特定功能的材料制备。

挑战与未来展望:

尽管螺旋光束的应用前景广阔,但目前仍面临一些挑战。例如,如何高效、稳定地产生和操控具有高OAM值的螺旋光束;如何在实际的光纤通信系统中实现OAM的有效传输和解复用;以及如何降低技术的成本和复杂性,使其能够广泛应用于实际生活。

然而,随着科学家们在OAM产生、检测和调控方面的不断突破,以及新型光学材料和器件的研发,这些挑战正逐步被克服。我们有理由相信,在不久的将来,螺旋光束将不再仅仅是实验室里的奇特现象,而是会深刻地改变我们的通信方式、操控微观世界的能力,甚至塑造我们对物理世界的新认知。

螺旋光束的传播,就像是在无垠宇宙中跳着一支精心编排的舞蹈,它所携带的不仅仅是能量和信息,更是一种对自然规律的深刻理解和对技术创新的不懈追求。它的出现,预示着一个更加智能、更加高效、也更加精密的未来。

网友意见

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我以为光轨道角动量这种东西学过光学的人都应该知道一点...anyway, 试着回答一下吧 (日常工作时间划水说的就是我了),本科接触过一点OAM的实验不过现在都忘干净了。

首先说一个概念,光子的轨道角动量(OAM),和偏振频率等其他量一样,这是光子的另外一个自由度。如大家经常看到的,其在空间上会有如下图的分布,可以看到不同的OAM量子数会有不同的形状,波前呈现不同的螺旋模式(helical modes是这么翻译的吧). 尤其当m=0即轨道角动量为0的时候,显然就回到了我们在大学物理光学部分熟知的这种平面波。

这个和我们平时说的光的偏振是不一样的,偏振对应的是光子的自旋角动量,而这里我们谈论的是轨道角动量,不能混为一谈,在没有spin-orbital coupling时候这两个是完全独立的。

另外细心的你应该也可以看到,上图中从截面看,最中间的点附近都是暗的,像一个漩涡一样,亦即所谓的optical vortex. OAM作为光的一个自由度可以在很多方面有应用,比如我立刻就能想到一个是用来成像,比如2014年诺贝尔化学奖的超分辨成像这种,知乎前两天有 @梁昊 的一个回答可以参考,还有一个就是高维量子计算,毕竟多个量子数可以提供更多level更大的空间嘛.

回到题目,那么这篇science的文章做了一个什么事情呢?

简单来说:把两束OAM(轨道角动量)相差为1,并且互相之间有一个time-delay(延时)的红外光束相互干涉,通过HHG(high harmonic generation)过程,最终得到的极紫外线光束可以呈现出随时间变化的OAM,称之为自扭转 [1]

我的理解是,这个工作的意义在于,第一次实现了光束的自扭转,亦即在在没有外力或者说没有外界相互作用的情况下,OAM还能随时间变化。

或者如果您稍微懂点英文,这篇文章的导读也说的很明白了:

Structured light beams can serve as vortex beams carrying optical angular momentum and have been used to enhance optical communications and imaging. Regoet al.generated dynamic vortex pulses by interfering two incident time-delayed vortex beams with different orbital angular momenta through the process of high harmonic generation. A controlled time delay between the pulses allowed the high harmonic extreme-ultraviolet vortex beam to exhibit a time-dependent angular momentum, called self-torque. Such dynamic vortex pulses could potentially be used to manipulate nanostructures and atoms on ultrafast time scales.

下面这张图您看了会更明白,图A里面,两个互相之间有延时IR光(红色的)打到这个HHG介质上,最后得到紫色的这个螺旋线的光,它一开始的OAM是17,走着走着就变到了34,这种OAM量子数随时间变化的现象我们称之为self-torque自扭转或者自扭矩。图B就是OAM随着时间变化的图,大概在15飞秒内,OAM从17变到了34。另外就是图c在 方向上的光频会不一样,这个也是很自然的一件事情了。

显然这是一个非线性过程,而核心就是这个所谓的HHG(high harmonic generation)。做非线性或者超快之类的同学应该远比我熟悉这个mechanism,简单来说就是你打一个频率为omega的光进入某个HHG介质(比如这里他们用的是稀有气体)之后出来的光的频率会是原来的整数倍,即n*omega。而这个实验里,是在不同时刻打入两束不同OAM的光进去,我的intuition是这样的,因为本身这个HHG就是一个动力学过程,在光频转化过程中不同的OAM会被imprint到出来的pulse上面,就像打字机一行一行打字,出来的每一行都不一样,都有不同的OAM。文章略长我也没有太仔细的看,如有不准确地方或者疑问欢迎提出,感觉作为简单的科普的话我就可以不用细读文章了= =

关于这个工作在应用上的意义,我开脑洞想到的结合超分辨显微镜那套可以搞一个在时间和空间上同时超分辨的显微镜,毕竟这里的时间尺度有fs,甚至可能已经远低于大部分有趣过程的时间了……另外光频在phi方向的差别是不是也可以用作sensing之类的啊…idk.

其他意义的话,我就从正文直接copy过来吧:

The generation of light beams with self-torque opens up a route for the investi- gation of systems with time-varying OAM that spontaneously appear in nature (47) as macro- scopic dynamical vortices or—owing to the high frequency of the beams—microscopic ultrafast systems. For example, because short-wavelength light can capture the fastest dynamics in mate- rials (48, 49), self-torqued EUV beams can be expected to be used for imaging magnetic and topological excitations, launching selective and chiral excitation of quantum matter (50), imprint- ing OAM centrifuges (32), switching superposi- tions of adiabatic charge migration in aromatic or biological molecules (51, 52), or manipulating the OAM dichroism of nanostructures (53) on attosecond time scales.

参考

  1. ^ 这里是我瞎jb翻译的,能理解意思就好

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