計(jì)量學(xué)是現(xiàn)代工業(yè)的基石，為我們衡量世界提供了關(guān)鍵的標(biāo)準(zhǔn)。特別是光學(xué)計(jì)量學(xué)，歷史上一直利用干涉的概念，自托馬斯·楊200多年前的時(shí)代以來基本沒有變化。然而，通過將條紋概念外推到其他自由度，能否獲取更多信息呢？

在《光：科學(xué)與應(yīng)用》上發(fā)表的一篇最新論文（題為“Metrology with a twist: probing and sensing with vortex light”）中，，西安電子大學(xué)郭立新教授領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)分享了他們對(duì)涉及軌道角動(dòng)量（OAM）的光學(xué)計(jì)量學(xué)過去和未來的看法。

圖片:搜狗截圖20250107174939.png

這篇論文探討了該領(lǐng)域的基本原理、應(yīng)用和開創(chuàng)性的進(jìn)展。研究人員展示了攜帶OAM的渦旋光束如何用于測(cè)量的新范例，例如，利用現(xiàn)代多普勒效應(yīng)的解釋，通過觀察取決于OAM和偏振的頻率變化來進(jìn)行3D粒子位置跟蹤。

南非金山大學(xué)的通訊作者Andrew Frobes教授說：“原始的多普勒效應(yīng)只能追蹤物體朝向或遠(yuǎn)離觀察者的運(yùn)動(dòng)，但在標(biāo)量和矢量光中加入軌道角動(dòng)量后，就可以追蹤所有方向的運(yùn)動(dòng)，包括旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這一進(jìn)步徹底改變了動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的計(jì)量學(xué)。”

這不僅是現(xiàn)有工具范式的轉(zhuǎn)變，還有全新儀器的發(fā)明推動(dòng)著這個(gè)領(lǐng)域向前發(fā)展。其中一個(gè)例子是OAM光譜作為系統(tǒng)的“特征標(biāo)識(shí)”：當(dāng)攜帶OAM的光穿過復(fù)雜介質(zhì)時(shí)，其OAM會(huì)改變，從而導(dǎo)致OAM光譜形狀的變化。

主要作者程明建博士說：“這種介質(zhì)的OAM指紋包含了大量可以利用的信息。”

正如綜述所強(qiáng)調(diào)的，如果通過機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能來解讀OAM光譜，就為復(fù)雜介質(zhì)的實(shí)時(shí)分析和識(shí)別打開了大門，OAM光作為一種探針，這一話題正迅速受到關(guān)注。

這篇綜述不僅不僅涵蓋了經(jīng)典的光學(xué)計(jì)量，還探討了在量子糾纏疊加態(tài)和單光子態(tài)中應(yīng)用OAM的潛力。向量子領(lǐng)域的過渡有望通過減少測(cè)量次數(shù)來降低噪聲，從而提升準(zhǔn)確性和精度。然而，這個(gè)領(lǐng)域的這一方面仍處于發(fā)展的早期階段。

Andrew Frobes教授說：“利用OAM的量子計(jì)量學(xué)仍然是一個(gè)新興領(lǐng)域，有眾多尚未發(fā)掘的機(jī)會(huì)。”

這篇綜合綜述涵蓋了從微觀尺度的納米傳感到宇宙尺度測(cè)量黑洞等廣泛應(yīng)用。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01665-1