日常經(jīng)驗(yàn)告訴我們，從一面完全平坦的鏡子反射出來(lái)的光會(huì)給我們正確的圖像，不會(huì)有任何變形。有趣的是，當(dāng)光場(chǎng)本身以一種復(fù)雜的方式構(gòu)成時(shí)，情況并非如此。出現(xiàn)微小的變形。

坦佩雷大學(xué)的研究人員首次在實(shí)驗(yàn)室中觀察到這些現(xiàn)象。結(jié)果證實(shí)了十多年前對(duì)這種基本光學(xué)效應(yīng)的預(yù)測(cè)。他們還展示了如何使用它，例如，作為確定材料特性的方法。

這一基本光學(xué)效應(yīng)的首次觀測(cè)現(xiàn)在被刊登在2024年9月17日發(fā)表在《自然通訊》上的文章《扭曲光的拓?fù)湎癫钣^察》中。

光是一種波。盡管科學(xué)家們?cè)谝粋€(gè)多世紀(jì)前就知道了這個(gè)簡(jiǎn)單的說(shuō)法，但光學(xué)和光子學(xué)的研究人員經(jīng)常發(fā)現(xiàn)和探索光波的新特性和應(yīng)用。在坦佩雷大學(xué)，實(shí)驗(yàn)量子光學(xué)小組(EQO)研究光的形狀或結(jié)構(gòu)的細(xì)微差別。光的結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為現(xiàn)代光學(xué)中的一個(gè)重要課題，從量子物理的基礎(chǔ)到信息科學(xué)和光通信，都取得了進(jìn)展。

在他們的最新工作中，研究人員已經(jīng)證明，當(dāng)光束從一個(gè)完全平坦的物體(如鏡子)反射時(shí)，光束的形狀會(huì)輕微扭曲。雖然變形非常小，但它攜帶了關(guān)于物體本身的重要信息，比如它是由什么材料制成的。這種所謂的拓?fù)浠冃?yīng)，十多年前由英國(guó)的研究人員預(yù)測(cè)到，現(xiàn)在首次被觀察到。

EQO團(tuán)隊(duì)的組長(zhǎng)Robert Fickler副教授解釋說(shuō):“雖然觀察變形的一般想法似乎相當(dāng)簡(jiǎn)單，但我們花了一年多的時(shí)間來(lái)完善我們的實(shí)驗(yàn)，并調(diào)整原始理論，以區(qū)分實(shí)驗(yàn)研究中自然發(fā)生的所有其他光束變形的影響。”

光明與黑暗的漩渦

隨著光波整形技術(shù)的進(jìn)步，近幾十年來(lái)，結(jié)構(gòu)光領(lǐng)域蓬勃發(fā)展。人們對(duì)這一領(lǐng)域的興趣主要來(lái)自于所謂的扭曲光波，這種光波不僅以光速傳播，而且在傳播過(guò)程中還會(huì)自旋。

“奇怪的是，在這些扭曲的光場(chǎng)中，有一些點(diǎn)是完全黑暗的，我們稱之為光學(xué)漩渦，就像水中的漩渦一樣，它們本身是無(wú)水的。我們所做的就是觀察當(dāng)光束與平面物體相互作用時(shí)，這些漩渦是如何纏繞和移動(dòng)的，以及我們可以從這些運(yùn)動(dòng)中學(xué)到什么，”該研究的主要作者、科學(xué)院博士后研究員拉斐爾·巴羅斯補(bǔ)充道。

光場(chǎng)中渦旋的動(dòng)力學(xué)是一個(gè)長(zhǎng)期研究的課題，通常被認(rèn)為是一個(gè)復(fù)雜的數(shù)學(xué)問(wèn)題。在他們的工作中，作者研究了扭曲光場(chǎng)的漩渦在被物體反射時(shí)是如何移動(dòng)的。

他們已經(jīng)證明，盡管每個(gè)光學(xué)渦旋以復(fù)雜的方式運(yùn)動(dòng)，但它們的集體運(yùn)動(dòng)是由物體的特性以一種簡(jiǎn)單而可預(yù)測(cè)的方式?jīng)Q定的。研究人員指出，他們的工作將激發(fā)用結(jié)構(gòu)波測(cè)量材料特性的新方法。這將給光學(xué)技術(shù)帶來(lái)新的轉(zhuǎn)折。