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研究背景

光學(xué)渦旋是自然界中普遍存在的現(xiàn)象，因其在多種領(lǐng)域中的應(yīng)用潛力而成為研究熱點(diǎn)。光學(xué)渦旋攜帶軌道角動量（OAM），在光學(xué)通信、光學(xué)成像、微操控等領(lǐng)域中具有重要應(yīng)用。然而，在光學(xué)渦旋的傳輸過程中，保持其OAM并防止其形態(tài)失真一直是一個挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的光學(xué)渦旋在傳播過程中容易發(fā)生衍射和解體，特別是高階渦旋，容易破裂成多個低階渦旋，導(dǎo)致控制和操控變得更加復(fù)雜。因此，如何實(shí)現(xiàn)渦旋的穩(wěn)定傳輸并保持其OAM特性，成為了光學(xué)研究中的一個重要課題。

成果簡介

為了解決這一問題，南開大學(xué)許京軍，Hrvoje Buljan & 陳志剛等人在Nature Photonics期刊上發(fā)表了題為“Topological orbital angular momentum extraction and twofold protection of vortex transport”的最新論文。研究者提出了利用拓?fù)淙毕?，特別是拓?fù)溴e位結(jié)構(gòu)，來實(shí)現(xiàn)光學(xué)渦旋的穩(wěn)定傳輸。拓?fù)溴e位具有獨(dú)特的幾何特性和拓?fù)浔Ｗo(hù)作用，能夠在保持軌道角動量的同時，引導(dǎo)渦旋流動。

科學(xué)家們通過設(shè)計具有不同旋轉(zhuǎn)對稱性的光子拓?fù)溴e位晶格，構(gòu)建了一個能夠?qū)崿F(xiàn)單通道渦旋引導(dǎo)的系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)，光學(xué)渦旋能夠在不受干擾的情況下進(jìn)行傳輸，并有效地過濾出特定的OAM模式。

研究亮點(diǎn)

（1）實(shí)驗(yàn)首次利用拓?fù)湮诲e結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了光學(xué)渦旋的魯棒傳輸，并成功地保持了渦旋的形狀和軌道角動量（OAM）。該研究展示了一種通過拓?fù)湮诲e來引導(dǎo)和保護(hù)渦旋的方法，具備了高階拓?fù)潆姾傻臏u旋傳輸能力。

（2）實(shí)驗(yàn)通過兩重拓?fù)浔Ｗo(hù)機(jī)制，分別是在動量空間和實(shí)空間的拓?fù)湫?yīng)，實(shí)現(xiàn)了OAM模式的傳輸。動量空間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由手征對稱性提供保護(hù)，而實(shí)空間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)則通過復(fù)雜的OAM模式耦合保護(hù)了選定的OAM模式，使得光學(xué)渦旋能夠在拓?fù)湮诲e核心沿著光波導(dǎo)傳輸，并避免了其他模式的干擾。

（3）通過數(shù)值模擬，研究表明，渦旋的拓?fù)潆姾膳c系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)對稱性之間存在普適關(guān)系，即渦旋-協(xié)調(diào)旋轉(zhuǎn)對稱性（VRS）。這一發(fā)現(xiàn)揭示了如何通過調(diào)整位錯的旋轉(zhuǎn)對稱性，選擇特定的OAM模式，并有效地濾除其他不需要的模式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法在不同旋轉(zhuǎn)對稱性下的有效性，并展示了基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的渦旋過濾器功能，能夠從混合激發(fā)中提取和保護(hù)選定的OAM模式。

圖文解讀

圖1: 通過拓?fù)湫e的雙重保護(hù)渦旋傳輸示意圖。

圖2: 在拓?fù)湫e中，沿單通道渦旋輸運(yùn)的實(shí)驗(yàn)演示。

圖3: 基于拓?fù)湫e，零能渦旋模式的動量空間保護(hù)。

圖4: 渦流傳輸?shù)恼鎸?shí)空間保護(hù)，以及旋轉(zhuǎn)對稱性rotational symmetry VRS介導(dǎo)的非平凡卷繞的通用規(guī)則。

圖5: 基于拓?fù)湫e，從混合模激勵中提?。V波）軌道角動量orbital angular momentum，OAM。

結(jié)論展望

本文的研究為拓?fù)浔Ｗo(hù)的渦旋傳輸提供了新的視角和理論依據(jù)。通過引入具有手性對稱性的拓?fù)淙毕?，我們能夠有效地提取角動量（OAM）模式，并利用拓?fù)淙毕莸碾p重保護(hù)機(jī)制實(shí)現(xiàn)渦旋模式的穩(wěn)定傳輸。

這一工作突破了傳統(tǒng)的光纖和波導(dǎo)設(shè)計，展示了如何通過結(jié)構(gòu)的拓?fù)湫再|(zhì)保護(hù)渦旋模式，使其在各種擾動下依然保持穩(wěn)定。此外，研究還揭示了拓?fù)湎辔?、渦旋度和對稱性之間的相互關(guān)系，為未來設(shè)計具有自我保護(hù)功能的光學(xué)通信網(wǎng)絡(luò)提供了新的理論支持。

通過對不同拓?fù)淙毕莸臉?gòu)建與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本文展示了如何通過細(xì)致的結(jié)構(gòu)調(diào)控在光學(xué)、聲學(xué)以及拓?fù)潆娐返阮I(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)渦旋模式的穩(wěn)定傳輸和精確過濾。這為拓?fù)涔庾訉W(xué)的發(fā)展和應(yīng)用開辟了新的方向，特別是在量子信息、光通信等前沿領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用潛力。

文獻(xiàn)信息

Hu, Z., Bongiovanni, D., Wang, Z. et al. Topological orbital angular momentum extraction and twofold protection of vortex transport. Nat. Photon. (2024).

原創(chuàng)文章，作者：zhan1，如若轉(zhuǎn)載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.xiubac.cn/index.php/2024/11/22/d72a705ba2/

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