山师大研究团队揭秘光学“加农炮”

近日，山东师范大学物理与光电学院蔡阳健教授团队在Science Advances上以“Dynamics of photonic toroidal vortices mediated by orbital angular momenta”为题发表研究论文，成功实现了光学“加农炮”式自旋涡环的长距离稳定传输。研究结果有望使光场作为可控能量与信息定向传输通道以及构建稳定拓扑光场的应用潜力。

海豚吐出的气泡、蒲公英飞行时形成的气流、核弹爆炸生成的蘑菇云……这些看似不相关的场景，都蕴藏着神奇的涡环现象，在流体力学等多个学科被广泛研究及应用。

自然界中的涡环现象

空气“加农炮”携带的巨大能量和稳定传输，与涡环动力学密切相关。虽然涡环的外形看起来只是一个简单的“圆环”，但其背后却隐藏着极其丰富的物理内涵，这种“形简而理繁”的特性，使涡环长期以来成为流体动力学中经久不衰的研究对象。更令人着迷的是，涡环仿佛拥有某种“生命力”，能够在几乎不散开的情况下自行向前推进，完成看似轻松却高效的“长途旅行”。在2012年的电视节目《自然奇观》中，一门巨大的空气涡环“加农炮”成功击中目标100米外的纸箱，创造了吉尼斯世界纪录。

世界吉尼斯挑战：“空气加农炮”射击纸箱

光作为电磁波，能够携带能量。那么，光学涡环能否能够以稳定的形式在空气中传播呢？蔡阳健教授团队结合超快激光整形与变换光学技术，用时空调控手段同时给光“拧”上横向和纵向两种涡旋，造出会“自旋”的光学“涡环”。研究人员发现“自旋”光学涡环存在“湮灭-再生”的传输行为，最终形成能在真空中稳定远距离传播的涡环结构。

实验生成”自旋“光学涡环实验装置图

”自旋“光学涡环稳定传输实验结果

团队成员首次发现，当光同时“横着转、竖着转”时，两种轨道角动量会相互作用，并共同塑造一种更高维度的结构光场。这一发现揭示了光内部旋转方式之间隐藏的联系，为理解光的角动量本质打开了新窗口。相关成果不仅加深了人们对光学拓扑演化规律的认识，也为高维信息传输、能量定向操控以及稳定拓扑光场的构建提供了新思路。更重要的是，这类“自旋”光学涡环能够在空气中稳定传播并携带角动量，为探索光与物质的相互作用和能量精准输运奠定了基础。

光学自旋涡环“加农炮”实现远程能量传输

蔡阳健教授为该论文通讯作者，物理与光电学院青年教师刘欣博士为第一作者，该项研究得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金重大项目和国家自然科学基金重大研究计划项目等项目的大力支持。

（大众新闻记者 苑文飒）