導(dǎo)讀：

近日，山東師范大學(xué)蔡陽健教授團隊在超維時空光場調(diào)控領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。研究團隊通過協(xié)同調(diào)控光子的橫向與縱向軌道角動量，系統(tǒng)研究了光子環(huán)形渦環(huán)在兩者共同作用下的傳輸動力學(xué)行為，實現(xiàn)了三維時空光學(xué)渦環(huán)在空氣中的穩(wěn)健長距離傳輸。相關(guān)研究成果以題為 “Dynamics of photonic toroidal vortices mediated by orbital angular momenta” 的論文發(fā)表于《Science Advances》 [Sci. Adv. 11, eadz0843 (2025)]。

山東師范大學(xué)青年教師劉欣博士為論文第一作者，蔡陽健教授為通訊作者，共同通訊作者還包括梁春豪教授（山東師范大學(xué)）與詹其文教授（上海理工大學(xué)）。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金重大項目、國家重點研發(fā)計劃項目課題等多項科研項目的資助支持。

研究背景：

環(huán)形渦流在自然界和流體力學(xué)中廣泛存在，例如煙圈、水中的空化氣泡、熱力學(xué)過程產(chǎn)生的蘑菇云，以及微生物運動、蒲公英種子傳播和動物器官中血液流動等。盡管環(huán)形渦的結(jié)構(gòu)相對簡單，其演化過程卻極為復(fù)雜，因此長期以來吸引著研究者在不同流體環(huán)境中探索其動力學(xué)規(guī)律。光場的軌道角動量源自其螺旋相位結(jié)構(gòu)，是描述光場空間分布與動量特征的重要自由度。傳統(tǒng)研究主要聚焦于光傳播方向上的縱向軌道角動量，其與拓?fù)浜擅芮邢嚓P(guān)，已在光學(xué)操控、信息傳輸及量子調(diào)控等領(lǐng)域展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢。近年來，隨著對光場時空結(jié)構(gòu)的深入探索，人們逐漸認(rèn)識到光場中還存在與傳播方向正交的橫向軌道角動量。然而，橫向與縱向軌道角動量之間的相互作用與耦合機制仍缺乏系統(tǒng)研究。兩者的協(xié)同演化可能導(dǎo)致新的角動量守恒規(guī)律、能量流形態(tài)及光學(xué)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，進(jìn)而為光的動量調(diào)控、時空結(jié)構(gòu)調(diào)制以及新型拓?fù)涔鈭龅臉?gòu)建提供新的物理途徑。在電磁學(xué)中，環(huán)形渦旋對應(yīng)于一種三維、時空不可分的結(jié)構(gòu)光場，攜帶橫向軌道角動量。作為色散麥克斯韋方程的解，這類波包在無色散介質(zhì)中的動力學(xué)行為尚未完全闡明，而如何實現(xiàn)其穩(wěn)定的遠(yuǎn)場傳輸仍是一個亟待突破的技術(shù)難題。

研究亮點：

1.提出橫縱軌道角動量協(xié)同調(diào)控的新機制

團隊創(chuàng)新性地將超快激光整形技術(shù)與變換光學(xué)理論相結(jié)合，構(gòu)建了能夠同時攜帶橫向與縱向軌道角動量的環(huán)形光子渦旋場，為研究光場角動量的耦合動力學(xué)提供了新范式。

2.揭示縱向和橫向軌道角動量介導(dǎo)的拓?fù)鋭恿�學(xué)行為

系統(tǒng)研究了在不同色散條件下光學(xué)渦環(huán)的時空演化行為，發(fā)現(xiàn)縱向軌道角動量在渦旋動力學(xué)中起關(guān)鍵作用，可誘導(dǎo)渦流結(jié)構(gòu)的斷裂與再構(gòu)，形成“湮滅-再生”的拓?fù)滢D(zhuǎn)變過程。

3.發(fā)現(xiàn)可自保持傳播的再生環(huán)形渦旋態(tài)

研究發(fā)現(xiàn)再生后的環(huán)形渦環(huán)能夠在空氣中保持穩(wěn)定傳輸，展現(xiàn)出獨特的結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)與自保持特性，為拓?fù)浞�(wěn)態(tài)光場的構(gòu)建與操控提供了新的物理途徑。 

圖1. 光子環(huán)形渦環(huán)示意圖。A. 不同視角下攜帶橫向軌道角動量的渦環(huán)等強度面圖及相位分布；B. 環(huán)形渦環(huán)加入縱向軌道角動量的相位分布；C和D. 攜帶不同縱向軌道角動量下的渦環(huán)等相位線分布。 

圖2. 合成和傳播光子渦環(huán)的實驗裝置圖。其中SLM1加載攜帶啁啾的螺旋相位生成攜帶橫向軌道角動量的時空光渦旋；SLM2和SLM3分別加載保角變換相位以及準(zhǔn)直與螺旋相位產(chǎn)生攜帶縱向軌道角動量的環(huán)形渦環(huán)波包。 

圖3. 光子環(huán)形渦環(huán)的色散動力學(xué)的實驗研究；A. 不同視角下光源面三維環(huán)形渦環(huán)等強度面分布，呈現(xiàn)環(huán)形甜甜圈形狀，其中紅色表示奇點渦旋線；B. 無縱向軌道角動量的渦環(huán)在空氣中傳輸后的等強度分布；C. 攜帶縱向軌道角動量的渦環(huán)在空氣中傳輸后的等強度分布；D和E. 分別為攜帶縱向軌道角動量的渦環(huán)在正常和反常色散介質(zhì)中傳輸后的等強度分布。

總結(jié)與展望：

團隊成員結(jié)合超快激光整形與變換光學(xué)技術(shù)，研究了光子環(huán)形渦環(huán)在不同色散條件下、橫向與縱向軌道角動量的共同介導(dǎo)的動力學(xué)演化行為。研究結(jié)果表明，縱向軌道角動量對環(huán)形渦環(huán)的運動影響尤為顯著：橫向渦流在色散作用下會破壞環(huán)形結(jié)構(gòu)，引發(fā)渦旋線的拓?fù)滢D(zhuǎn)變，表現(xiàn)為在真空中先湮滅后再生。而再生的環(huán)形渦旋卻能夠在真空中保持穩(wěn)定傳播，同時攜帶橫向和縱向軌道角動量，并維持其獨特的結(jié)構(gòu)特性。因此，探索橫縱軌道角動量的內(nèi)在聯(lián)系與耦合效應(yīng)，不僅對于深化對光場角動量本質(zhì)的理解具有重要意義，也為發(fā)展高維光學(xué)信息處理和復(fù)雜光場拓?fù)淇刂崎_辟了新的研究方向。研究結(jié)果有望使光子環(huán)形渦環(huán)作為可控能量與信息定向傳輸通道、光與物質(zhì)相互作用以及構(gòu)建穩(wěn)定拓?fù)涔鈭龅膽?yīng)用潛力。

論文信息：

X. Liu, N. Zhang, Q. Cao, J. Liu, C. Liang, Q. Zhan, Y. Cai, Dynamics of photonic toroidal vortices mediated by orbital angular momenta. Sci. Adv. 11, eadz0843 (2025).

https://doi.org/10.1126/sciadv.adz0843