袁小聪教授、冯甫副研究员团队：纵向奇点光学尺，皮米光子学测量新范式 | 专题封面

导读

在高精度位移测量中，突破传统干涉条纹对空间分辨率的限制是长期未解的核心问题。袁小聪教授、冯甫副研究员研究团队提出一种纵向奇点光学尺新方案，引入空间尺度趋于无穷小的纵向光学奇点作为参考原点，将横向位移信息映射至奇点能流与角动量的几何结构中，实现了皮米级定位。该文被选为《光学学报》“光学极端制造与检测”专题（第46卷第1期）的封面文章。

封面解析

封面以纵向奇点光学尺为核心，展示了一种基于结构光场实现皮米级位移测量的新原理。图中沿传播方向调控的螺旋结构光场构成稳定可控的纵向奇点分布，彩色轨迹示意光场内部角动量与能流的三维结构特性，红色光轴标示参考传播方向。奇点位置作为无穷小空间标尺，对位移变化表现出极高灵敏响应。封面下方由毫米刻度向皮米刻度的渐进过渡，直观体现了该方法将宏观位移信息映射至极端皮米尺度的测量能力，突出了光学奇点在突破传统光学测量精度极限中的独特优势。

文章来源：《光学学报》2026第01期封面文章 | 马海祥, 冯甫, 袁小聪. 纵向奇点光学尺的设计及测量（特邀）[J]. 光学学报, 2026, 46(1): 0122011.

在光学领域，如何持续突破空间测量的物理极限，始终是基础研究的重要命题。继纳米光子学取得系统性进展之后，皮米光子学（Picophotonics）正逐渐成为国际前沿关注的新方向，旨在将光学测量与调控能力推进至原子与电子尺度。在空间光场调控研究中，结构光的引入极大拓展了人们对光场内部精细结构的认知，也为突破传统测量范式提供了新的可能。

当测量尺度逼近皮米量级，传统依赖干涉条纹或相位周期的光学计量方法面临根本性挑战，即条纹周期本身成为限制分辨率的内在尺度，系统对微小扰动的敏感性与稳定性难以兼顾。如何构造一种具有更小空间特征尺寸且可作为稳定参考的光学标尺，成为走向皮米光子学必须解决的关键问题。

光学奇点因其空间尺度趋于无穷小的本征特性，为这一问题提供了新的物理切入点；特别是轨道角动量（OAM）指向纵向的奇点态，其在横向平面中呈现为点状结构，使微小位移能够被直接反映为奇点位置的变化，为超高精度位移测量奠定了新的物理基础。

针对奇点处于光场极小空间尺度、极暗区域难以直接探测的问题，研究者提出了奇点线技术。该方法通过解析光场能流与OAM的空间分布，将原本孤立的奇点拓展为可追踪的几何结构，从而显著提升了奇点定位的稳定性与可重复性。

如图1所示，可以把这一现象类比为旋转的飓风：当一个人站在风眼位置，会看到飓风环绕自身旋转；如果走出风眼，飓风相对于这个人的旋转方向部分顺时针、部分逆时针，这在物理上对应角动量符号的改变，形成正负OAM区域。

在奇点光场中，同样会出现OAM零值线贯穿奇点的位置。通过选择两个方向的参考轴，就可以得到两条OAM零值线，其交点即为奇点位置。该方法将光场中零强度的奇点位置信息转化为周围环绕的OAM信息，相当于从高能区域解析低能区域，从而显著提升了奇点定位精度，为构建新型光学尺提供了坚实基础。

图1 飓风类比示意图。当人位于飓风中心（奇点位置）时，飓风整体绕其稳定旋转；当人偏离飓风中心后，尽管飓风的整体旋转方向保持不变，但以人为参考建立的视野中，参考圆内的飓风环流相对人呈顺时针旋转，而参考圆外的环流相对人呈逆时针旋转

在实验中，研究团队使用空间光调制器在同一光路中生成平行传播的平面波与涡旋光束，通过显微物镜聚焦压缩光场尺寸，同时使平面波改变传播方向与涡旋光干涉。借助傅里叶解析技术分析干涉条纹，计算出涡旋光场的复振幅分布，并将解析出的复振幅代入奇点线技术，从而实现高精度奇点定位。最终测得平均奇点定位精度为10.92 pm（x方向）和10.23 pm（y方向），如图2所示，构造出了稳定可靠的奇点光学尺。

图2 奇点的实验定位及奇点光学尺的构建流程图。(a) 干涉强度分布图；(b) 相位重建后涡旋光场相位图；(c) 以奇点为参考点计算得到的OAM密度分布图；(d) 在上下左右四个方向分别选取参考点，计算得到对应的OAM 零值线，并两两组合得到四组交点；(e) 四组交点在奇点邻域的微观分布示意图; (f) 基于实验数据统计获得的OAM 零值线交点分布图及其x、y方向的直方图，并通过高斯拟合提取奇点定位精度

随后，团队对构建的奇点光学尺进行了实验验证。通过在空间光调制器编码相移因子控制聚焦后的涡旋光场位移，提供可控的横向位移信号，并利用奇点光学尺对这些信号进行高精度解析。实验成功测量到步长为6 nm的位移信号，测量相对误差标准差约为21%，对应单位位移1 nm时的误差约为210 pm。这一成果不仅展示了纵向奇点光学尺作为新型测量范式的潜力，也为皮米光子学的发展提供了可靠的实验支撑与理论依据。

图3 位移信号测量示意图(a)及位移步长6 nm(b)与步长12 nm(c)的测量结果

纵向奇点光学尺的提出与实验验证，为利用光场内部结构实现超高精度位移测量提供了一条全新的技术路径。未来，该方法有望与干涉测量、极端结构光场调控等体系进一步融合，在提升测量精度的同时增强系统的稳健性与可扩展性。从更长远的视角看，围绕光学奇点所构建的几何参考框架，有望推动光学测量从“波长尺度标定”向“结构尺度标定”转变，为皮米光子学的发展奠定重要的实验与方法学基础。

马海祥，之江实验室副研究员，长期致力于光场调控、纳米光子学、奇点光学、皮米传感等领域的研究工作。在Nature Communications、Photonics Research、Optics Letters 等期刊发表SCI论文20余篇，总被引700余次，h指数达14。主持项目包括：国家自然科学基金青年项目、中国博士后科学基金面上项目、浙江省公益研究计划青年项目。

冯甫，之江实验室副研究员，长期从事多维光场调控，全光计算，智能光子学相关基础理论与应用研究。在全光计算、表面波的定向耦合、表面波传感、奇点光场的探测与信息传输等方面取得了一系列创新成果。近五年以第一/通信作者在Nat. Commun.、Light. Sci. Appl.、Adv. Opt. Mater.等期刊发表SCI论文50余篇，其中中国科学院一区30余篇。

袁小聪，欧洲科学院院士（MAE），深圳大学讲席教授，国家重大人才工程特聘教授，国务院学科评议组成员，担任Advanced Photonics 主编。主要从事光场调控基础研究、光场表面波传感与光声病理诊断研究、光场模式复用机制与光互连应用研究。在相关领域发表SCI收录论文600余篇，连续多年入选“中国高被引学者”榜单和全球前2%顶尖科学家榜单。获中国专利优秀奖、教育部高等学校自然科学奖二等奖、深圳市自然科学奖二等奖等。

科学编辑 | 马海祥

编辑 | 杨晨

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