利用環(huán)形纖芯光纖與相位掩模實現(xiàn)角位置光場廣義自成像及其相關軌道角動量的示意圖

芬蘭坦佩雷大學和法國Kastler-Brossel實驗室的光子學研究者們，通過實驗展示了一個具有近兩百年歷史的光學現(xiàn)象——光自成像，如何應用于圓柱系統(tǒng)。這項研究實現(xiàn)了對光結構的空前控制，為先進光通信系統(tǒng)開辟了巨大潛力。此外，研究者們還發(fā)現(xiàn)了一種新型時空對偶性，為連接光學不同領域建立了強有力的類比框架。

1836年，Henry F. Talbot進行了一項開創(chuàng)性實驗，觀察到光在無任何透鏡或成像光學元件的情況下，經過特定傳播距離后自發(fā)重現(xiàn)原始圖案的現(xiàn)象。這種自成像現(xiàn)象后來被命名為Talbot效應。

近期，來自坦佩雷大學實驗量子光學研究組和巴黎高等師范學院Kastler Brossel實驗室復雜介質光學研究組的光場調控專家展開合作，對圓柱系統(tǒng)中的Talbot效應的自成像現(xiàn)象進行了前所未有的深入研究。這項結合了基礎物理發(fā)現(xiàn)與光通信實際應用的重要成果，已發(fā)表于《自然·光子學》期刊。

探索圓柱幾何結構中的自成像效應

在環(huán)形纖芯光纖中傳播的光會經歷獨特的自成像過程，不過這次發(fā)生在角度維度。

該研究的共同第一作者、博士研究員Matias Eriksson解釋道："當光從環(huán)形纖芯的特定角位置進入光纖時，首先會沿圓柱形纖芯周向擴散，隨后通過自成像過程完美重組形成原始光場。"

值得注意的是，這種角位置的自成像僅是圓柱幾何中基礎現(xiàn)象的一部分。類似的干涉效應同樣存在于光的軌道角動量這一重要特性中，該特性使得光能夠驅動粒子繞光軸旋轉，即沿環(huán)形路徑軌道運動。從本質上說，角位置與軌道角動量這對物理量具有互補性：精確確定其中一個量時，另一個量的精度就會受限。

研究團隊首次在單一實驗中實現(xiàn)了角度與軌道角動量的自成像協(xié)同控制，達成了對光場空間結構的空前調控。但研究的突破不止于此，科學家們還深入探索了其時域關聯(lián)，并展示了其在光通信中的重要應用。

架起光學兩大熱門領域的橋梁

光學中的基本概念——時空對偶性認為，許多空間維度觀察到的效應同樣存在于光的時間結構中?；谶@一原理，周期性光脈沖序列及其對應的頻率梳(即僅包含確定且等距頻率成分的光)會產生廣義的自成像效應。

在本項研究中，研究者通過揭示角度/角動量與時間/頻率之間的深刻聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)了一種新型時空對偶形式。

另一位共同第一作者Jianqi Hu博士解釋道："這意味著這兩個領域觀察到的物理現(xiàn)象存在廣泛關聯(lián)，某一領域的技術手段可遷移應用于另一領域"。Hu博士曾任職于Kastler Brossel實驗室，現(xiàn)任瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院研究員。

基礎效應推動光通信應用

得益于對自成像效應更深刻的理論認識及其伴隨的先進調控能力，研究團隊還展示了該發(fā)現(xiàn)在光通信中的重要應用。

Eriksson 說："我們可以巧妙調控廣義自成像效應，在光的軌道角動量維度實現(xiàn)信息編碼、轉換與解碼，使其成為獨立通信信道。"

當前研究表明，實現(xiàn)無損、無串擾的超高數(shù)據(jù)速率傳輸已具備理論可行性，這或將深刻影響未來光通信技術的發(fā)展方向。

審核編輯 黃宇