研究人員在復(fù)雜光場中觀察隱藏的變形

日常經(jīng)驗告訴我們，從一面完全平整的鏡子中反射出來的光線會呈現(xiàn)出正確的圖像，不會產(chǎn)生任何變形。有趣的是，當光場本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜時，情況卻并非如此。微小的變形就會出現(xiàn)。

坦佩雷大學(xué)的研究人員現(xiàn)在首次在實驗室中觀測到了這些變形。研究結(jié)果證實了十多年前對這一基本光學(xué)效應(yīng)的預(yù)測。這些結(jié)果還顯示了如何將其用作確定材料特性的方法。

這一基本光學(xué)效應(yīng)的首次觀測結(jié)果以《Observation of the topological aberrations of twisted light》為題，發(fā)表在近日的《自然·通訊》（Nature Communications）上。

圖片:搜狗截圖20241006215648.png

物體扭曲光場的反射圖示，顯示了拓撲像差效果。

光是一種波。盡管科學(xué)家們對這一簡單的表述已經(jīng)熟知了一個多世紀，但光學(xué)和光子學(xué)研究人員仍在不斷發(fā)現(xiàn)和探索光波的新特性和新應(yīng)用。坦佩雷大學(xué)的量子光學(xué)實驗小組（EQO）研究光的形狀或結(jié)構(gòu)的細微差別。光的結(jié)構(gòu)已成為現(xiàn)代光學(xué)的一個重要課題，其研究進展涉及量子物理學(xué)基礎(chǔ)、信息科學(xué)和光通信等多個領(lǐng)域。

在他們的最新研究成果中，研究人員表明，當光束從一個完全平坦的物體（如鏡子）上反射出來時，其形狀會發(fā)生輕微變形。雖然這種變形非常小，但卻包含了物體本身的重要信息，例如它的材質(zhì)。這種所謂的拓撲像差效應(yīng)是英國研究人員十多年前預(yù)測到的，現(xiàn)在首次被觀測到。

“EQO小組組長羅伯特-菲克勒（Robert Fickler）副教授解釋說：“雖然觀測形變的一般想法看起來相當簡單，但我們花了一年多的時間來完善實驗，并調(diào)整原始理論，以便將這種效應(yīng)與實驗研究中自然出現(xiàn)的所有其他光束形變區(qū)分開來。”

光明與黑暗的漩渦

隨著近年來光波整形技術(shù)的進步，結(jié)構(gòu)光領(lǐng)域在近幾十年來蓬勃發(fā)展。人們對這一領(lǐng)域的興趣主要來自于所謂的扭曲光波，這種光波不僅能以光速傳播，還能在傳播過程中旋轉(zhuǎn)。

該研究的主要作者、科學(xué)院博士后研究員Rafael Barros補充道：“這些扭曲光場的奇特之處在于，它們中有一些點是完全黑暗的，我們稱之為光學(xué)漩渦，就像水中的漩渦，而漩渦本身是無水的。我們所做的就是觀察當光束與平面物體相互作用時，這些漩渦是如何穿行和移動的，以及我們能從這些移動中了解到什么。我們所做的就是觀察當光束與平面物體相互作用時，這些漩渦是如何穿行和移動的，以及我們能從這些移動中了解到什么。”

光場中渦旋的動力學(xué)一直是長期研究的課題，通常被視為一個復(fù)雜的數(shù)學(xué)問題。在他們的工作中，作者們研究了扭曲光場的旋渦在物體反射時是如何運動的。

他們的研究表明，雖然每個光渦旋的運動方式都很復(fù)雜，但它們的集體運動是由物體的特性決定的，其方式簡單而可預(yù)測。研究人員指出，他們的工作將為利用結(jié)構(gòu)波測量材料特性帶來新的啟發(fā)。這將為光學(xué)技術(shù)帶來新的變化。

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論文鏈接：https://dx.doi.org/10.1038/s41467-024-52529-6