拓扑学(名词解释 >)在数学物理世界中，扮演着重要作用。通过将拓扑学的概念引入凝聚态物理学，三位顶级科学家David J. Thouless、Duncan Haldane 和J. Michael Kosterlitz由于在拓扑相变和拓扑物态方面的杰出贡献，共享了2016年诺贝尔物理学奖(相关报道>)。
此外，研究人员也试图将拓扑学与传统光学相结合，使其在诸多应用领域中，例如成像，计量，通信，量子信息处理和光-物(质)作用等，展现出许多新奇特性和巨大的应用潜力。
近日，结构光学领域知名专家，美国光学学会(Optical Society of America, OSA)会士，来自南非威特沃特斯兰德大学的Andrew Forbes教授(人物介绍 >)联合英国伯明翰大学Mark R. Dennis教授(人物介绍 >)，以“Structured Light”为题在Nature Photonics发表综述论文，回顾了结构光学的最新进展，揭示了看似不同光束结构的共同本质，对结构光学的分类提出了新的观点，并概述了可能的未来趋势与挑战。
图1. 艺术效果图：多种拓扑结构光束
图源：Nature Photonics
一，结构光学生态圈
早在1807年托马斯·杨在双缝干涉实验中观察到的明暗条纹分布，可能是关于光束结构的最早记录。随着光学的不断发展，越来越多的光束类型得到了科学解释及稳定实现，其中包括高斯光束，拉盖尔-高斯光束，艾里光束等，如图2所示。
图2. 多种光束场分布
图源：Nature Photonics
图译：Cyan / 撰稿人
二，不止于二维
传统的光场结构通常受限于二维平面，而在第三维度(z轴) 方向传播。对于三维空间光场控制和3 + 1D(时空结构光场) 控制的能力,虽然发展尚不成熟，但却获得了域内专家的浓厚兴趣。
三维控制可以视为一个直接限制光场的系统,例如光子晶体,无论是系统结构本身还是与特定光场的结合都已展现了令人鼓舞的前景。如图3所示，通过自定义相位元件的级联，在多模态经典光场或高维量子态上执行功率无损的酉运算是一种有效的方法。一种更常见的方法是通过合理设置初始2D场的自由度，并通过干涉，例如自映像效应和分形光，来创建所需的三维光场结构。
图3. 3D光场控制示意图
图源：Nature Photonics
基于3D控制之上，考虑时间维度，即为4D结构光场控制，如图4所示。一个常用方法是：在4F系统的两个光栅之间放置一个波束形成装置，使频谱成分按幅值和相位分别进行调制，然后重新组合以进行时间控制。此外，结合有源超表面结构和液晶拓扑结构装置，加拿大拉瓦尔大学的Michel Piché教授(人物介绍 >)课题组成功实现了具有时空调制特性的贝塞尔光束。
图4. 4D光场控制示意图
图源：Nature Photonics
通过对非线性晶体的多年研究，揭示了其对光相位、偏振度和振幅的调制功能。哈尔滨理工大学的朱智涵教授指出在受矢量结构光激发时，自旋轨道相互作用的非线性流程虽然仍处于初期探索阶段，但其对光场结构的控制能力令人印象深刻。如图5所示，通过应用上述原理，现已成功实现任意结构光场的产生与探测，对于更复杂的模式转换，亦非难事。
图5. 艺术效果图：非线性工具展示
图源：Nature Photonics
除了晶体，原子蒸汽中的非线性混频效应(名词解释 >)也迅速推动了传输、存储和检测工具的发展进步。结合数字微镜设备与自旋轨道相互作用，可以将任意结构刻印到原子蒸汽中，该方法包括快速和廉价的两种版本。此外，通过与非线性光物质相互作用，时空涡旋光于2016年在美国马里兰大学被成功实现。
图6. 艺术效果图：时空涡旋光
图源：Nature Photonics
四，极限突破
在很小的一块光场中，可以容纳上百万种模式，这一特性可以用来改变通信质量，而在量子领域，利用结构光作为高维量子态可以用来提高安全性。主要体现在如下三个方面：
1. 更远更快
现阶段，结构光学的主要驱动力仍是光通信。更多的模式意味着‘更快’的通信(传输速率的增长)。在未来，模分复用是打破通信系统香农非线性效应的重要工具。
2. 高维度与多光子
更高的信息容量、对噪声的容忍度和更好的安全性都需要高维量子状态，同时需要更多的光子来实现量子协议，如隐形传态和纠缠交换，以构成现代量子通信网络的基石。
3. 安全快捷
在量子密钥分配(Quantum Key Distribution, QKD)系统中使用高维度结构光，如图7所示。这不仅为系统提供了更高的自由度以提升通信品质，更得益于复杂光结构的自身特性，如贝塞尔纠缠态的自愈合和无衍射特性。
图7. QKD传输系统实例
图源：Nature Photonics
尽管结构光学历史已横跨两个百年，现阶段它再次走向舞台中心，从传统光学到量子通信，从基础科学到现实应用，既富有挑战，也充满机遇。
随着对结构光学无尽可能的更深理解，诸多应用，例如用于创建、操纵和检测结构量子态的工具箱，更高功率的复杂结构光，传统光学到集成解决方案的加速转移，必将成为未来高速发展的主要驱动力。
Forbes, A., de Oliveira, M. & Dennis, M.R. Structured light. Nat. Photonics 15, 253–262 (2021).
https://doi.org/10.1038/s41566-021-00780-4
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