芬蘭坦佩雷大學(xué)和法國Kastler-Brossel實(shí)驗(yàn)室的光子學(xué)研究者們，通過實(shí)驗(yàn)展示了一個具有近兩百年歷史的光學(xué)現(xiàn)象——光自成像，如何應(yīng)用于圓柱系統(tǒng)。這項研究實(shí)現(xiàn)了對光結(jié)構(gòu)的空前控制，為先進(jìn)光通信系統(tǒng)開辟了巨大潛力。此外，研究者們還發(fā)現(xiàn)了一種新型時空對偶性，為連接光學(xué)不同領(lǐng)域建立了強(qiáng)有力的類比框架。

1836年，Henry F. Talbot進(jìn)行了一項開創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)，觀察到光在無任何透鏡或成像光學(xué)元件的情況下，經(jīng)過特定傳播距離后自發(fā)重現(xiàn)原始圖案的現(xiàn)象。這種自成像現(xiàn)象后來被命名為Talbot效應(yīng)。

近期，來自坦佩雷大學(xué)實(shí)驗(yàn)量子光學(xué)研究組和巴黎高等師范學(xué)院Kastler Brossel實(shí)驗(yàn)室復(fù)雜介質(zhì)光學(xué)研究組的光場調(diào)控專家展開合作，對圓柱系統(tǒng)中的Talbot效應(yīng)的自成像現(xiàn)象進(jìn)行了前所未有的深入研究。這項結(jié)合了基礎(chǔ)物理發(fā)現(xiàn)與光通信實(shí)際應(yīng)用的重要成果，已發(fā)表于《自然·光子學(xué)》期刊。

圖片:搜狗截圖20250224205226.png

利用環(huán)形纖芯光纖與相位掩模實(shí)現(xiàn)角位置光場廣義自成像及其相關(guān)軌道角動量的示意圖

圓柱幾何結(jié)構(gòu)中的自成像效應(yīng)探索

在環(huán)形纖芯光纖中傳播的光會經(jīng)歷獨(dú)特的自成像過程，不過這次發(fā)生在角度維度。

該研究的共同第一作者、博士研究員Matias Eriksson解釋道："當(dāng)光從環(huán)形纖芯的特定角位置進(jìn)入光纖時，首先會沿圓柱形纖芯周向擴(kuò)散，隨后通過自成像過程完美重組形成原始光場。"

值得注意的是，這種角位置的自成像僅是圓柱幾何中基礎(chǔ)現(xiàn)象的一部分。類似的干涉效應(yīng)同樣存在于光的軌道角動量這一重要特性中，該特性使得光能夠驅(qū)動粒子繞光軸旋轉(zhuǎn)，即沿環(huán)形路徑軌道運(yùn)動。從本質(zhì)上說，角位置與軌道角動量這對物理量具有互補(bǔ)性：精確確定其中一個量時，另一個量的精度就會受限。

研究團(tuán)隊首次在單一實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了角度與軌道角動量的自成像協(xié)同控制，達(dá)成了對光場空間結(jié)構(gòu)的空前調(diào)控。但研究的突破不止于此，科學(xué)家們還深入探索了其時域關(guān)聯(lián)，并展示了其在光通信中的重要應(yīng)用。

架起光學(xué)兩大熱門領(lǐng)域的橋梁

光學(xué)中的基本概念——時空對偶性認(rèn)為，許多空間維度觀察到的效應(yīng)同樣存在于光的時間結(jié)構(gòu)中。基于這一原理，周期性光脈沖序列及其對應(yīng)的頻率梳（即僅包含確定且等距頻率成分的光）會產(chǎn)生廣義的自成像效應(yīng)。

在本項研究中，研究者通過揭示角度/角動量與時間/頻率之間的深刻聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)了一種新型時空對偶形式。

另一位共同第一作者Jianqi Hu博士解釋道："這意味著這兩個領(lǐng)域觀察到的物理現(xiàn)象存在廣泛關(guān)聯(lián)，某一領(lǐng)域的技術(shù)手段可遷移應(yīng)用于另一領(lǐng)域"。Hu博士曾任職于Kastler Brossel實(shí)驗(yàn)室，現(xiàn)任瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院研究員。

基礎(chǔ)效應(yīng)推動光通信應(yīng)用

得益于對自成像效應(yīng)更深刻的理論認(rèn)識及其伴隨的先進(jìn)調(diào)控能力，研究團(tuán)隊還展示了該發(fā)現(xiàn)在光通信中的重要應(yīng)用。

Eriksson 說："我們可以巧妙調(diào)控廣義自成像效應(yīng)，在光的軌道角動量維度實(shí)現(xiàn)信息編碼、轉(zhuǎn)換與解碼，使其成為獨(dú)立通信信道。"

當(dāng)前研究表明，實(shí)現(xiàn)無損、無串?dāng)_的超高數(shù)據(jù)速率傳輸已具備理論可行性，這或?qū)⑸羁逃绊懳磥砉馔ㄐ偶夹g(shù)的發(fā)展方向。

相關(guān)鏈接：https://dx.doi.org/10.1038/s41566-025-01622-3