“涡旋如梦，穿越时空，光启未知的深邃奥秘”- 从量子级别的粒子运动到星系级别的恒星分布，涡旋现象在自然界中比比皆是。在光学领域，早在1992年Allen等人就提出涡旋光束携带轨道角动量（OAM），开启了从经典到量子研究涡旋光的新纪元。涡旋光束的探索不仅丰富了光学的基础理论，还在现代通信、量子网络、微纳操控等多个前沿领域展现出重要且诱人的应用前景。然而，涡旋光束的实际应用还面临诸如稳定传播距离受限、保真度低等挑战，亟需新的结构设计与技术原理来解决。
近日，南开大学物理学院/泰达应用物理研究院陈志刚、许京军教授领导的课题组与克罗地亚萨格勒布大学、加拿大国立科学研究院的课题组合作研究，首次设计并构建了具有手征对称性的拓扑旋错光学实验平台，实现了涡旋光的拓扑“双保护”和鲁棒传输，并进一步通过调控结构的拓扑特性实现了特定阶数涡旋模式的拓扑波导和滤模。这一创新成果拓展了对高阶拓扑、轨道角动量和旋错复杂结构相互作用与协调效应的理解和认知，为光场调控和新型光学涡旋器件的研发提供了新思路。相关研究工作以“Topological orbital angular momentum extraction and twofold protection of vortex transport”为题发表于《Nature Photonics》。
拓扑光子学的研究历史可以追溯到数学和凝聚态物理中对拓扑现象的探索。2016年诺贝尔物理学奖授予了 D. J. Thouless、F. D. M. Haldane和J. M. Kosterlitz三位先驱科学家，以表彰他们对“物质的拓扑相变和拓扑相的理论发现”。随后，众多的数学家、理论物理学家和实验科学家为这一领域的发展做出了卓越贡献．拓扑的概念也因此被拓展到光学、声学和冷原子等领域。拓扑相关的物理概念为设计光学微结构和操控光波的传输行为提供了新途径。另一方面，涡旋是在多种物理系统中广泛存在的现象，包括从经典流体力学、天体物理，到量子领域的超导体、超流体和等离子体等。涡旋波OAM已在光子、电子等基本粒子以及原子和分子等非基本粒子物质波中都被观测到。在光通信领域，光学OAM作为一种新颖的光场调控维度为增强数据复用能力，以满足日益增长的大数据和互联网流量信息需求提供了一种前景可期的解决方案。无疑，光学OAM在下一代光通信网络中将起到关键作用，推动超高速、超大容量信息传输系统的实现和发展。
尽管光学OAM在诸多领域都备受青睐，但其在实际应用中仍面临一些技术挑战。例如，在长距离传输中，涡旋光易受环境因素的干扰，特别是在自由空间光通信中，大气湍流、温度梯度和光路中微小的障碍物都可能导致涡旋光的失真或衰减，进而影响信号传输的稳定性。在光纤波导中，涡旋光的传输也面临材料缺陷、模式耦合和散射问题，导致不同OAM模式之间的串扰，限制了其数据复用能力。解决这些问题需要进一步设计稳定的光学器件，以及开发更先进的信道补偿或模式分离技术，以确保涡旋光在复杂环境中的稳定传输和高效利用。
针对这一空白，南开大学研究人员首次理论设计并实验构建具有手征对称性的单通道拓扑旋错光子晶格，实现了在不同旋转对称性的旋错系统中涡旋光的鲁棒传输，并揭示了拓扑“双保护”的物理机制。此外，研究人员还进一步演示了利用拓扑手段在混合多模的涡旋光束中实现特定涡旋模式的提取。该成果有望解决涡旋光束在复杂环境传输过程中长期面临的挑战，为新型拓扑涡旋激光器以及高容量光通信系统提供新思路，是拓扑物理应用出口的又一次有益探索。
相比传统的基模高斯光束，涡旋光束具有更复杂的相位结构和光强分布，这为光学OAM的稳定传输带来了挑战。研究人员首次揭示了鲁棒传输涡旋光的拓扑“双保护”机制（图一）：一方面，是由手征对称性保护的非平凡动量空间拓扑；另一方面，则是由光学OAM模式与旋错结构旋转对称性相匹配，集体耦合效应所导致的非平凡实空间拓扑。前者保证了“零能量”涡旋光束缚态的存在，后者则保证了该OAM模式在传输过程中的单模特性。实验上，研究人员成功观测到不同阶拓扑荷涡旋光束在C3、C4以及C5旋错光子晶格中稳定传输，并演示了拓扑荷为2的涡旋光束在C4旋错光子晶格中的劈裂现象（这是由于实空间拓扑保护被破坏），实验与理论高度吻合。该研究不仅为实空间拓扑的探索开辟了新的路径，还为涡旋光束的应用提供了重要线索。研究人员期待在未来的研究中拓扑“双保护”涡旋光能够在拓扑涡旋激光器、光子晶体光纤和量子纠缠与光通信等光子学高新领域的广泛应用发挥潜力。
图一（韦恩图）拓扑“双保护”物理机制。只有当由手征对称性保护的非平凡动量空间拓扑保护和由涡旋OAM模式协调旋错结构旋转对称性所导致的非平凡实空间拓扑保护存在时，拓扑涡旋波导才能支持涡旋光鲁棒传输。
传统的拓扑旋错晶格其核心通常由多个格点组成，这样的结构往往缺乏手征对称性。为了克服这一局限，研究人员另辟蹊径，提出通过“切割和粘合”方法并实验构建了具有不同旋转对称性（C3、C4和C5）的单通道手性拓扑旋错晶格。图二展示了部分实验结果，其中图二a为实验所构建的拓扑旋错光子晶格，图二b1-b3所示的三维光强分布图则有效揭示了拓扑保护与非拓扑保护涡旋传输之间的显著差异。涡旋探测光束（图二c1）在未构建任何波导结构的情况下经过的自由传输后发生明显的展宽，相关的输出光强分布（图二c2）和干涉图（图二c3）演示了此现象。值得注意的是，当将相同的涡旋光束（图二c1）注入旋错中心波导时，其涡旋形状和相位得到了很好的保护（图二c4）。相应的数值模拟结果（图二c5）与实验观察结果高度一致，表明涡旋光在拓扑旋错中心较长距离传输后依然展现出良好的鲁棒性。此外，图二d1-d5中的高阶涡旋
图二实验演示涡旋光束在拓扑旋错波导中的稳定传输。a具有C3旋转对称性的单通道手性旋错光子晶格；b非拓扑保护（自由空间）与拓扑保护的实验结果对比（3D光强分布图）；c低阶
涡旋探测光c1在自由空间传输后的强度分布c2及其干涉图c3，以及该涡旋探测光经过拓扑旋错传输后的强度与相位分布c4与相应数值模拟结果c5；d与低阶
涡旋相对应的高阶涡旋光
的传输结果。
1.3混合多模涡旋光束的拓扑滤模
更有趣的是，该研究所揭示的拓扑“双保护”物理机制为光学OAM模式的滤模提供了一种有效途径。研究人员通过调节旋错结构的参数（例如晶格周期、子晶格耦合比例等），实现了不同OAM模式的能带操控，成功从混合多模涡旋光束中提取出目标OAM模式。图三展示了部分实验结果，研究人员演示了混合多模涡旋光束在单根圆波导（图三b1-b4）与拓扑旋错波导（图三c1-c4）中的传输演化对比：在单根圆波导中，不同OAM模式之间的串扰导致“半月”状的光强分布；而在拓扑旋错波导中，未受拓扑保护的OAM模式被“滤除”，特定OAM模式被拓扑提取并稳定传输。图三a展示了滤模前后OAM模式的权重分布，直观且定量地显示了拓扑旋错波导的有效滤模功能。
图三拓扑旋错调控的OAM滤模。a蓝、橙柱状图分别表示输入和输出光束（经过拓扑旋错波导）的OAM权重，插图展示了输入光束的强度分布及其干涉图。b1-b3混合多模涡旋光束在单根波导中的传输演化。c1-c3混合多模涡旋光束在拓扑旋错波导中的传输演化，其中只有特定的涡旋模式被拓扑提取。b4、c4对应长距离传输的数值模拟结果。
自光的全内反射现象首次被发现到如今光纤导光技术的成熟应用，光局域与波导传输现象的研究在物理学中已有悠久且丰富的历史。近十年来，拓扑光子学的崛起为新型导光机制的探索注入了强劲动力，不仅为突破传统光学器件的性能瓶颈提供了契机，还为新材料和新技术的应用带来广阔前景。本研究创新探讨了高阶拓扑旋错涡旋态和拓扑涡旋波导的形成机理、结构制备及拓扑滤模等关键问题，为涡旋光在集成光学，光通讯等领域的应用开辟了新途径。其背后的物理原理不仅在涡旋光纤、激光等光子学器件可能带来颠覆性影响，也对前沿交叉学科相关课题的科学研究和器件研发具有重要意义。
本工作南开大学为第一完成单位，南开大学博士后胡志婵、外籍博士后D. Bongiovanni、博士生王孜腾为论文的共同第一作者。南开大学教授陈志刚、许京军和南开大学特聘教授/克罗地亚萨格勒布大学教授H. Buljan为论文共同通讯作者。合作者还包括南开大学博士生王向东、南开大学教授宋道红以及加拿大国立科学研究院R. Morandotti教授。相关工作得到科技部重点研发计划专项、国家自然科学基金委重点项目、中国博士后创新人才支持计划等项目资助。
据悉，《Nature Photonics》是光学领域最具声望的期刊（５年期刊平均影响因子35.8）。近几年该课题组在拓扑光子学前沿方向的研究已取得了一系列突破成果，相继发表在《Science》、《Nature Physics》、《Nature Comm.》、《eLight》等顶尖学术期刊上。
论文DOI：10.1038/s41566-024-01564-2
论文链接：https://rdcu.be/d0Rt6
--由课题组供稿
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