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重大突破！我国学者团队在完美涡旋光束生成技术上取得关键进展
作者：欧光科技 发表时间：2025-05-07 14:20:35
近日，加拿大拉瓦尔大学PravinVaity与LeslieRusch团队在国际光学领域顶级期刊《OpticsLetters》发表重要研究成果，提出一种基于贝塞尔光束傅里叶变换的完美涡旋光束生成新方法，成功解决了传统涡旋光束环形直径依赖拓扑荷数的技术难题，为高速光通信、量子信息处理等领域开辟了新路径。
传统涡旋光束遇瓶颈：环形尺寸“受困”于拓扑荷数
携带轨道角动量的涡旋光束因能“旋转光场”而成为光通信领域的热门研究方向，但其核心缺陷长期困扰学界——传统涡旋光束的环形强度分布直径会随“拓扑荷数”（即光场旋转的“螺旋转速”）增大而不断扩张。这导致在光纤通信中，不同阶数的涡旋光束难以耦合进固定尺寸的环形纤芯，严重限制了多路信号复用的实际应用。
2010年，“完美涡旋光束”概念被提出，其理想状态是环形直径与拓扑荷数“脱钩”，但早期方法生成的光束存在多余寄生环，且调节环形尺寸需频繁更换硬件、校准光路，实用性大打折扣。
巧妙借力贝塞尔光束：傅里叶变换实现“尺寸自由”
研究团队发现，贝塞尔光束的特殊数学性质能破解这一难题。贝塞尔光束是一种具有无衍射特性的特殊光场，其径向波矢可独立调控。通过理论推导，团队证明：对贝塞尔光束进行傅里叶变换后，可精确生成环形半径仅由径向波矢决定、与拓扑荷数无关的完美涡旋光束。
通俗来说，就像给光场“拍了一张傅里叶变换的照片”，在焦平面上会形成一个“尺寸可控的光环”——通过调节贝塞尔光束的径向参数，就能随意“缩放”光环大小，而光环的“旋转属性”（拓扑荷数）完全不受影响。
实验验证：从“数学推导”到“看得见的光环”
研究团队搭建了精密实验系统：
1.定制“光场画笔”：利用空间光调制器生成“贝塞尔高斯光束”，通过复合相位掩模（融合轴棱锥相位与螺旋相位），同时控制光束的径向尺度与旋转属性。
2.傅里叶变换“显形”：经透镜变换后，在焦平面成功观测到稳定的环形光场。实验显示，无论拓扑荷数是0阶还是4阶，光环半径仅随径向波矢参数变化，且寄生环噪声大幅降低。
3.“旋转光场”实锤：通过与高斯光束的干涉实验，清晰观测到螺旋状干涉条纹，条纹数量与方向精准对应拓扑荷数，直接证实了完美涡旋光束的轨道角动量特性。
三大优势解锁多元应用场景
尺寸调控“随心所欲”：无需更换硬件，仅通过调节相位掩模参数，即可在微米到毫米级范围内灵活控制光环半径，完美适配不同规格的环形光纤。
低噪声高纯度：贝塞尔高斯光束的高斯包络天然抑制寄生环，生成的完美涡旋光束质量比传统方法提升近70%。
光纤通信“无缝对接”：与空芯光纤的轨道角动量模式高度匹配，可高效激发36种不同模式，为构建“一根光纤传多路信号”的超高容量通信系统奠定基础。
未来展望：从实验室走向“光通信革命”
这项研究不仅在理论上建立了贝塞尔光束与完美涡旋的数学关联，更通过实验验证了技术可行性。业内专家指出，该成果有望彻底解决传统涡旋光束在光纤中“模式不兼容”的痛点，推动高速率、抗干扰的光通信技术落地。
目前，团队正探索将该技术与矢量偏振调控结合，开发适用于量子密钥分发的新型光场模式，同时攻关大气湍流环境下的光束稳定传输问题。随着相关技术成熟，“完美涡旋”有望成为下一代光通信、光学操控甚至量子计算的核心“光场工具”，为信息产业带来颠覆性变革。
这项兼具理论深度与应用价值的研究，标志着人类在光场调控领域迈出重要一步，让“按需定制光场”从科学想象走向技术现实。
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