近日，国际光学领域顶级权威期刊《Advances in Optics and Photonics》（AOP）重磅发表了一篇题为《Free-space topological optical textures: tutorial》（自由空间拓扑光学纹理：教程）的重要综述性教程论文。这篇论文由南洋理工大学（Nanyang Technological University, NTU）的申艺杰（Yijie Shen）助理教授携手斯坦福大学（Stanford University）的王海闻（Haiwen Wang）博士和范汕洄（Shanhui Fan）教授共同撰写。这篇教程性论文以深入浅出、生动翔实的方式，首次全面而系统地总结了自由空间拓扑光学纹理领域的最新研究进展，揭示了拓扑光学如何成功摆脱材料平台的束缚，在自由空间中实现各种独特而稳定的拓扑结构，为光学领域的基础研究和技术应用开辟了一片崭新的天地。
拓扑学作为现代数学的重要分支，最早被广泛应用于凝聚态物理领域，并因此催生了拓扑绝缘体、拓扑半金属等革命性材料的发现。这些拓扑材料之所以引人注目，是因为它们的物理特性不易受到环境缺陷和扰动的影响，具有极高的稳定性和鲁棒性。近年来，拓扑概念进一步延伸到光学领域，推动了拓扑光子晶体、拓扑激光器等多种新型器件的诞生。然而，这些研究的应用仍高度依赖材料结构设计和微纳尺度的精准加工技术，极大限制了拓扑光学技术在实际工程中的广泛应用。
申艺杰教授团队在该教程中提出，拓扑光学现象的实现并非一定要依赖特定的材料中的强非线性相互作用，通过精确调控自由空间中光场的相位、偏振、振幅以及空间结构等基本自由度，完全可以实现丰富多彩的拓扑光学纹理。这些拓扑结构，如光学斯格明子（optical skyrmion）、电磁涡环（toroid）、霍普夫子（hopfion）等，不仅在理论上丰富了光学领域的物理内涵，更在实际应用上具备了突破性潜力。例如，通过利用光的拓扑结构特性，可以实现信息的稳定传输与高容量编码，极大提高光通信系统的性能与安全性。此外，这些结构还可以被广泛用于精密的粒子操控、高分辨率光学显微成像、先进的量子信息处理技术以及下一代光学传感系统中。
具体而言，这篇教程论文详尽地介绍了拓扑光学纹理的基本原理与生成方法，系统阐述了自由空间拓扑光学纹理的理论基础，细致分析了各种拓扑结构的特性与优势。作者们巧妙地利用图解与数值模拟，直观地展示了拓扑光场如何在自由空间中形成，并探讨了不同结构之间的拓扑联系与演化规律，展现了拓扑光学与传统光学技术的显著区别与突出优势。此外，文章还深入探讨了未来拓扑光学在多维度光场调控和复杂光信息处理领域可能的研究方向，鼓励科研人员进一步探索拓扑学在光学领域的新兴潜力。
论文第一兼通讯作者申艺杰教授近年来在光学领域取得了一系列国际领先的研究成果。他的科研工作集中在纳米光子学、拓扑光学、超材料以及光学奇异现象等前沿领域，成果发表在国际顶级期刊百余篇，引用量超过数千次，曾多次获得国际知名学术奖励与资助。他所领导的研究团队汇聚了一批来自全球各地的优秀青年学者，学术氛围充满创新精神，注重理论与实验并重，国际化与跨学科交流频繁。
目前，申艺杰教授团队正广泛招募对拓扑光学、纳米光子学、光场调控等研究方向感兴趣的博士研究生、博士后研究员及访问学者，鼓励有志于在光学前沿领域取得突破的青年科研人员加入。团队致力于提供优质的科研环境、一流的实验平台和充分的国际合作交流机会，诚邀广大青年才俊一起探索自由空间拓扑光学的无限可能，共同开启拓扑光学研究的新篇章。（团队主页：https://shen-lab.mystrikingly.com）
原文链接：
Advances in Optics and Photonics Vol. 17, Issue 2, pp. 295-374 (2025) •
https://doi.org/10.1364/AOP.547634
