突破光場調(diào)控新邊界：廣義角度軌道角動(dòng)量Talbot效應(yīng)如何重塑未來技術(shù)？

    光學(xué)研究中，我們過去常關(guān)注光的亮度、顏色或傳播速度，卻很少留意光場本身的“結(jié)構(gòu)”——那些藏在相位和角度里的復(fù)雜信息。近年來，“軌道角動(dòng)量（OAM）”成為光的新“能力維度”：一束光能通過不同的OAM模式（可以理解為光旋轉(zhuǎn)時(shí)形成的不同“螺旋形態(tài)”，每種形態(tài)用一個(gè)專屬編號(hào)標(biāo)記）攜帶多組信息，理論上能讓通信容量大幅提升。但要發(fā)揮這個(gè)潛力，一直有個(gè)難題沒解決：怎么高效、低干擾地把不同OAM模式分開？
    香港大學(xué)胡劍琦團(tuán)隊(duì)聯(lián)合國際研究者的最新成果，為這個(gè)難題找到了突破口。他們?cè)凇禢aturePhotonics》發(fā)表的“廣義角度軌道角動(dòng)量Talbot效應(yīng)與模數(shù)模式分選”研究，不僅發(fā)現(xiàn)了波動(dòng)系統(tǒng)里的新物理現(xiàn)象，還研發(fā)出一種理論上能實(shí)現(xiàn)“零干擾”的OAM模式分離技術(shù)，為光場調(diào)控和相關(guān)應(yīng)用打開了新大門。

    從經(jīng)典到廣義：Talbot效應(yīng)的“跨界”升級(jí)
    要理解這項(xiàng)研究的價(jià)值，得先從一個(gè)經(jīng)典光學(xué)現(xiàn)象——Talbot效應(yīng)說起。1836年，科學(xué)家亨利·?？怂?middot;塔爾博特首次發(fā)現(xiàn)：當(dāng)光穿過光柵這類周期性結(jié)構(gòu)、發(fā)生菲涅耳衍射時(shí)，會(huì)在傳播過程中周期性地“復(fù)制”自己的圖案，形成像“地毯”一樣有規(guī)律的分布，這就是“Talbot地毯”，也是最初的Talbot效應(yīng)。
    后來研究者發(fā)現(xiàn)，Talbot效應(yīng)不只是在空間中存在：在時(shí)間維度上，它能讓周期性的光脈沖穿過特殊光纖后，重現(xiàn)原來的脈沖圖案，甚至讓脈沖頻率變高；在頻率維度上，通過調(diào)整相位，還能重新分配光的能量，產(chǎn)生新的頻率成分。這些發(fā)現(xiàn)的核心邏輯是“傅里葉對(duì)偶性”——就像鏡子的兩面，空間和波矢、時(shí)間和頻率是對(duì)應(yīng)的，一個(gè)維度里的現(xiàn)象，在另一個(gè)維度里能找到類似的表現(xiàn)。
    胡劍琦團(tuán)隊(duì)的關(guān)鍵創(chuàng)新，是把這種“對(duì)應(yīng)關(guān)系”延伸到了“角度OAM”領(lǐng)域。他們發(fā)現(xiàn)，光的角度分布（比如光場在圓周方向形成的亮斑）和OAM模式也是“對(duì)應(yīng)”的：就像時(shí)間里的脈沖對(duì)應(yīng)頻率里的“頻率梳”，角度上的“花瓣?duì)罟鈭?rdquo;（比如圓周上均勻分布的3個(gè)或4個(gè)亮斑），在OAM領(lǐng)域里會(huì)對(duì)應(yīng)成有規(guī)律排列的模式組（亮斑數(shù)量越多，OAM模式的排列間隔也越大）?；谶@個(gè)發(fā)現(xiàn)，團(tuán)隊(duì)提出并驗(yàn)證了“廣義角度OAMTalbot效應(yīng)”——通過給光場加特定相位、再讓光穿過環(huán)芯光纖，就能自由調(diào)整花瓣數(shù)量和OAM模式的排列間隔。

    實(shí)現(xiàn)這個(gè)效應(yīng)要靠兩個(gè)關(guān)鍵器件：
    1.Talbot相位掩模：相當(dāng)于給光場“整形”的工具，能給花瓣?duì)罟鈭黾由咸囟ǖ南辔?，讓它變?ldquo;Talbot地毯”里需要的圖案；
    2.環(huán)芯光纖：和普通光纖不同，它的纖芯是環(huán)形的，能讓不同OAM模式的傳播速度按特定規(guī)律變化——就像給光場設(shè)計(jì)了一條可控的“跑道”，光在里面?zhèn)鞑サ教囟ㄩL度時(shí)，花瓣數(shù)量會(huì)按預(yù)期變化（比如3個(gè)花瓣變成4個(gè)），對(duì)應(yīng)的OAM模式排列也會(huì)跟著調(diào)整。
    實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：一根光纖實(shí)現(xiàn)多種光場轉(zhuǎn)換
    為了證明廣義Talbot效應(yīng)可行，團(tuán)隊(duì)搭建了一套精密的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)：用可調(diào)諧的C波段激光器當(dāng)光源，通過兩個(gè)“純相位空間光調(diào)制器”做出Talbot相位掩模，再搭配一段環(huán)芯光纖（在1550nm波長下，這種光纖的“Talbot長度”——也就是光重現(xiàn)圖案的關(guān)鍵長度——約3厘米），最后用“離軸數(shù)字全息技術(shù)”捕捉光場的完整形態(tài)和OAM模式分布。

    這次實(shí)驗(yàn)最亮眼的地方，是它的“靈活性”：
    雙向轉(zhuǎn)換成功：當(dāng)輸入4個(gè)均勻排列的“同相花瓣”（對(duì)應(yīng)的OAM模式間隔固定）時(shí)，經(jīng)過相位掩模和1.75厘米長的環(huán)芯光纖（剛好是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵長度）后，輸出端真的出現(xiàn)了3個(gè)同相花瓣；反過來，輸入3個(gè)花瓣，也能轉(zhuǎn)換成4個(gè)，OAM模式的分布和理論預(yù)測完全一致。
    一根光纖實(shí)現(xiàn)多轉(zhuǎn)換：團(tuán)隊(duì)沒有為不同轉(zhuǎn)換需求設(shè)計(jì)不同光纖，而是利用“Talbot地毯”的規(guī)律——固定1.75厘米的光纖長度，只調(diào)整相位掩模，就讓光在“Talbot地毯”上“滑動(dòng)”到不同位置，成功實(shí)現(xiàn)了“6個(gè)花瓣變4個(gè)”“12個(gè)花瓣變3個(gè)”“12個(gè)花瓣變2個(gè)”等多種轉(zhuǎn)換。更巧妙的是，“6個(gè)花瓣變2個(gè)”還能通過兩次“12個(gè)花瓣變1個(gè)”的過程疊加實(shí)現(xiàn)，輸入端因?yàn)楣獾母缮嬷伙@示6個(gè)花瓣，輸出端就變成了2個(gè)。
    這些實(shí)驗(yàn)不僅證明了廣義Talbot效應(yīng)的可靠性，還凸顯了它的優(yōu)勢——不用換核心器件，就能實(shí)現(xiàn)多種光場調(diào)控，為后續(xù)應(yīng)用降低了成本。

    應(yīng)用革新：解決OAM分離的“干擾難題”
    廣義Talbot效應(yīng)最大的價(jià)值，是催生了一種全新的OAM模式分離技術(shù)——模數(shù)模式分選，這正是破解OAM應(yīng)用瓶頸的關(guān)鍵。
    過去的OAM分離技術(shù)一直受“干擾”困擾：不管是用“對(duì)數(shù)極坐標(biāo)變換”，還是用“多級(jí)馬赫曾德爾干涉儀”，都沒法徹底把相鄰的OAM模式分開——哪怕只有一點(diǎn)點(diǎn)能量跑到錯(cuò)誤模式里，也可能導(dǎo)致通信出錯(cuò)、量子態(tài)失真。而基于廣義Talbot效應(yīng)的分選器，從原理上就避開了這個(gè)問題：
    它的核心邏輯很簡單——“按余數(shù)分類”：根據(jù)OAM模式的編號(hào)除以某個(gè)數(shù)字后剩下的“余數(shù)”，把不同模式分到輸出端不同的“扇形區(qū)域”里。比如選數(shù)字4當(dāng)“除數(shù)”，編號(hào)是0、4、8…的模式，除以4都余0，就會(huì)集中到第一個(gè)扇形區(qū)；編號(hào)1、5、9…的模式余1，就到第二個(gè)扇形區(qū)，以此類推，不同模式不會(huì)混在一起。

    實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明了這種分選器的優(yōu)秀性能：
    分3類的分選器（用2/3Talbot長度的光纖）：對(duì)編號(hào)從19到12的OAM模式，平均86.5%的光能量能精準(zhǔn)落到預(yù)期的扇形區(qū)，誤差只有±3.8%；
    分4類的分選器（用3/4Talbot長度的光纖）：對(duì)編號(hào)14到21的模式，平均分離精度達(dá)72.0%，誤差±5.9%；
    分12類的特殊分選器（用7/12Talbot長度的光纖）：它能把相鄰的OAM模式分到“對(duì)面”的扇形區(qū)——比如編號(hào)相鄰的模式，會(huì)分別落到間隔7個(gè)扇形的位置，確保5個(gè)連續(xù)編號(hào)的模式絕不會(huì)出現(xiàn)在相鄰區(qū)域，從根本上避免了相鄰模式的干擾。如果再把扇形區(qū)設(shè)計(jì)得寬一點(diǎn)、加個(gè)“緩沖帶”，分離精度還能提升到86.0%，誤差僅±1.7%。
    更重要的是，這種技術(shù)還能靈活擴(kuò)展：不僅能處理正負(fù)編號(hào)的OAM模式，還能分離“OAM疊加態(tài)”（比如同時(shí)包含多個(gè)OAM模式的光場）。實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)對(duì)包含3個(gè)OAM模式（編號(hào)16、15、14，能量比3:2:1）的疊加態(tài)進(jìn)行分離，最后還原出的模式分布和輸入幾乎一樣，誤差只有0.027，這說明它在量子領(lǐng)域也能用。

    未來展望：不止于光，跨領(lǐng)域的技術(shù)新可能
    這項(xiàng)研究的意義遠(yuǎn)不止于光學(xué)領(lǐng)域，它還揭示了一個(gè)更重要的規(guī)律——“角度OAM領(lǐng)域和時(shí)間頻率領(lǐng)域是相通的”：就像我們能用時(shí)間頻率技術(shù)處理信號(hào)，角度OAM領(lǐng)域的調(diào)控方法也能反過來借鑒，為不同領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新搭起“橋梁”。
    從應(yīng)用來看，它的潛力覆蓋多個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域：
    通信領(lǐng)域：作為OAM分復(fù)用系統(tǒng)的核心部件，這種分選器能實(shí)現(xiàn)多模式光信號(hào)的低干擾分離，讓通信容量大幅提升；
    量子領(lǐng)域：它的“高階分束能力”能用來搭建量子信息處理的光學(xué)網(wǎng)絡(luò)，支持更精密的多光子實(shí)驗(yàn)；
    跨波動(dòng)領(lǐng)域：廣義Talbot效應(yīng)不只是對(duì)光有效，還能擴(kuò)展到聲波（比如讓聲波成像更清晰）、物質(zhì)波（比如更精準(zhǔn)地操控冷原子），為聲學(xué)、原子物理等領(lǐng)域提供新工具。
    當(dāng)然，這項(xiàng)技術(shù)要落地還需要解決一些問題：實(shí)驗(yàn)中光的模式耦合、光纖損耗會(huì)導(dǎo)致少量能量泄漏，未來需要優(yōu)化光纖設(shè)計(jì)和光的注入精度，進(jìn)一步降低干擾。但不可否認(rèn)的是，廣義角度OAMTalbot效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，讓我們對(duì)光場的調(diào)控達(dá)到了新高度——當(dāng)我們能像“編織地毯”一樣自由調(diào)整光的花瓣和OAM模式時(shí)，光的應(yīng)用邊界將被徹底打破。
    這項(xiàng)發(fā)表在《NaturePhotonics》的研究，不只是一次物理現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，更是一場光場調(diào)控技術(shù)的革新。它告訴我們，在微觀的波動(dòng)世界里，還有很多未被探索的規(guī)律，而這些規(guī)律，終將變成解決現(xiàn)實(shí)難題的創(chuàng)新方案。