將激光束編織成穩(wěn)定的“光學(xué)結(jié)”
結(jié)的形成通常被認(rèn)為是由于長而柔韌材料的扭曲纏繞，比如鞋帶上的結(jié)能固定鞋子，而試圖懸掛節(jié)日裝飾時(shí)結(jié)卻令人困擾。光束聽起來不像能打結(jié)的材料，但實(shí)則不然。 >@h#'[ z,d
設(shè)想將幾塊石頭同時(shí)投入池塘。在水面的某一點(diǎn)，產(chǎn)生的漣漪環(huán)會混合形成一個(gè)復(fù)雜圖案。若能控制每個(gè)環(huán)的形狀和速度，通過精心設(shè)計(jì)，就能讓該交匯點(diǎn)在三維空間中按需形成復(fù)雜形狀。 bXeJk]#y
近年來，研究人員一直在用光實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。通過疊加多束具有特定屬性的激光，并引導(dǎo)其通過一系列透鏡，干涉圖案可在空間中形成靜止的“光學(xué)結(jié)”，形如煙圈組成的復(fù)雜網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。 ILx4 [m7
杜克大學(xué)工程師近期展示了一種全息條帶，可將單束激光分為五束定制光束以編織光學(xué)結(jié)。發(fā)表于《自然·通訊》和《光子學(xué)研究》的系列論文表明，光學(xué)結(jié)可作為傳輸編碼信息或測量空氣湍流的可靠方法。 dV{mmHL
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湍流對光學(xué)結(jié)的影響 qnb/zr)p
研究團(tuán)隊(duì)證明，嵌入光學(xué)結(jié)的信息可在組成激光穿越湍流空氣時(shí)保持完整，但其穩(wěn)定性超出科學(xué)家最初預(yù)期。杜克大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程教授Natalia Litchinitser策表示：“人們曾認(rèn)為，由于這些結(jié)構(gòu)在數(shù)學(xué)上是穩(wěn)定實(shí)體，應(yīng)能無礙穿越復(fù)雜環(huán)境，事實(shí)證明其穩(wěn)定性并非絕對，但我們可以增強(qiáng)其穩(wěn)定性。” * H~=dPC
為驗(yàn)證此結(jié)論，研究人員使用小型對流烤箱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。盡管可通過光纖設(shè)備模擬激光穿越湍流的過程，但團(tuán)隊(duì)希望實(shí)現(xiàn)長距離真實(shí)環(huán)境下的復(fù)現(xiàn)。由于合作方南非團(tuán)隊(duì)擁有跨建筑實(shí)驗(yàn)裝置，杜克團(tuán)隊(duì)只能在餐桌面大小的空間操作。 Av0(zA2
Litchinitser實(shí)驗(yàn)室博士后Danilo Gomes Pires解釋道：“我們采用烤箱大小的設(shè)備，底部設(shè)置加熱板并用風(fēng)扇制造空氣湍流，隨后壓縮光束并通過多次鏡面反射模擬近千英尺的傳播路徑。” j rxq558
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實(shí)驗(yàn)裝置 w5yX~8UzJ
若激光束未受擾動，形成的結(jié)應(yīng)呈現(xiàn)為含三個(gè)環(huán)的連續(xù)流動線條。但實(shí)驗(yàn)顯示，隨著湍流加劇，結(jié)更易退化為兩個(gè)互連環(huán)甚至單個(gè)環(huán)，導(dǎo)致信息丟失。 /x)i}M)
研究發(fā)現(xiàn)這種退化并非必然，可通過增加結(jié)構(gòu)復(fù)雜度延長結(jié)的穩(wěn)定性。例如在平滑特征中嵌入更多扭曲路徑，如同建造復(fù)雜旋轉(zhuǎn)水滑梯而非簡單彎道，從而在給定平面內(nèi)創(chuàng)建更多測量參考點(diǎn)。 gb4$W@N7V
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打結(jié)場的優(yōu)化 3ZbqZ"rE
盡管光學(xué)結(jié)技術(shù)尚處萌芽階段（約二十年前被發(fā)現(xiàn)），其潛在應(yīng)用廣泛。信息可編碼于結(jié)形中實(shí)現(xiàn)長距離傳輸，結(jié)形畸變程度可反映途經(jīng)湍流強(qiáng)度。研究者還認(rèn)為，復(fù)雜結(jié)形可用于三維空間中捕獲和操控微粒。 ?LJiFG]^m
Litchinitser 說：“在實(shí)際應(yīng)用前，我們需深入研究其行為特性，這是首個(gè)真實(shí)湍流環(huán)境中的傳播演示，未來我們將繼續(xù)探索其在自由空間中的拓展應(yīng)用。” BnfuI
相關(guān)鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-57827-1
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