山东师范大学蔡阳健团队Science Advances | 横纵轨道角动量介导的超维光场调控

环形涡流是一类在自然界中普遍存在的动力学结构，常见于烟圈、空化气泡、热对流形成的蘑菇云，以及微生物运动、蒲公英种子传播和血液流动等多种体系中。尽管其几何形态简洁，演化过程却蕴含复杂的非线性与拓扑特征，因而长期以来一直是流体力学与流体动力学研究的核心课题之一。

在光学领域中，光场的轨道角动量是描述光场空间动量与能流分布的重要自由度。传统研究主要集中于沿光传播方向的纵向轨道角动量，其拓扑荷与相位奇点密切相关，已广泛应用于光镊、光通信以及量子信息等领域。近年来，随着时空结构光研究的兴起，人们发现光场还可携带与传播方向垂直的横向轨道角动量。然而，横纵两类角动量之间的内在关联与耦合机制尚未得到系统揭示。

二者的协同演化有望引发新的角动量守恒规律与能流拓扑形态，开辟对光动量与时空结构的全新调控途径，为探索高维拓扑光场奠定物理基础。在电磁场框架下，环形光涡旋可视为一种三维时空不可分离的结构光场，天然携带横向轨道角动量。尽管作为色散麦克斯韦方程的解，这类波包在无色散介质中的传播动力学仍未被充分阐明，其稳定的长距离传输更是长期面临技术瓶颈。

1. 建立横纵轨道角动量协同调控的新机制

研究团队将超快激光场整形与变换光学相结合，研究了光场横向与纵向轨道角动量的的相互耦合作用，实现了光场角动量多维自由度的协同控制，为探索光学角动量耦合机制提供了新的研究思路。

2. 揭示横纵轨道角动量耦合驱动的拓扑演化规律

通过系统分析光学涡环在不同色散环境中的传播行为，研究发现纵向轨道角动量在涡旋结构的演化过程中具有主导作用，能够触发涡流的断裂与重组，形成独特的“湮灭-再生”式拓扑动力学过程。

3. 发现具备自保持特性的稳态环形光涡旋

进一步研究表明，经过再生的环形涡旋可在空气中实现稳定长距离传输，展现出显著的结构稳态与自保持特征，为拓扑稳态光场的产生与调控开辟了新的物理途径。

图1. 光子环形涡环示意图。A. 不同视角下携带横向轨道角动量的涡环等强度面图及相位分布；B. 环形涡环加入纵向轨道角动量的相位分布；C和D. 携带不同纵向轨道角动量下的涡环等相位线分布。

图2. 合成和传播光子涡环的实验装置图。其中SLM1加载携带啁啾的螺旋相位生成携带横向轨道角动量的时空光涡旋；SLM2和SLM3分别加载保角变换相位以及准直与螺旋相位产生携带纵向轨道角动量的环形涡环波包。

图3. 光子环形涡环的色散动力学的实验研究；A. 不同视角下光源面三维环形涡环等强度面分布，呈现环形甜甜圈形状，其中红色表示奇点涡旋线；B. 无纵向轨道角动量的涡环在空气中传输后的等强度分布；C. 携带纵向轨道角动量的涡环在空气中传输后的等强度分布；D和E. 分别为携带纵向轨道角动量的涡环在正常和反常色散介质中传输后的等强度分布。