新的激光实验像旋转木马一样旋转光

在日常生活中，光似乎是无形的。我们走过它，通过按下开关来创造和消灭它。但是，就像物质一样，光实际上也带有一点冲击力——它有动量。光不断地推动物体，甚至可以用来推动航天器。如果光带有轨道角动量(OAM)，那么它也可以使物体旋转——该特性与旋转物体保持旋转的趋势相关。

早在90年代初，科学家们就知道光可能具有OAM，并且他们发现光的OAM与光相位中的漩涡或涡流有关，即构成光的电磁波的波峰或波谷的位置。最初，OAM的研究主要集中在光束横截面中存在的涡旋，即相位旋转，就像沿着光路飞行的飞机的螺旋桨一样。

但近年来，由马里兰大学物理学教授霍华德·米尔奇伯格(HowardMilchberg)领导的马里兰大学物理学家发现，光可以在转向一侧的涡旋中携带其OAM——相位像汽车上的车轮一样旋转，随着光一起滚动。研究人员将这些光结构称为时空光学涡旋(STOV)，并将它们所携带的动量描述为横向OAM。

“在我们的实验之前，人们并没有意识到光粒子(光子)可能具有侧向指向的OAM，”米尔奇伯格说。“同事们最初认为这是奇怪或错误的。现在，短距离光学飞行器的研究在全球范围内迅速发展，可能在光通信、非线性光学和奇异形式的显微镜等领域得到应用。”

在《PhysicalReviewX》杂志上发表的一篇文章中，该团队描述了一种新技术，用于改变光脉冲传播时的横向OAM。他们的方法需要一些实验室工具，比如专用激光器，但在很多方面，它类似于旋转操场上的旋转木马或扭转扳手。

“因为STOV是一个新领域，我们的主要目标是对它们的工作原理有一个基本的了解。而做到这一点的最好方法之一就是扰乱它们，”马里兰大学物理博士后研究员、《纸。“基本上，改变光脉冲横向OAM的物理规则是什么?”

在之前的工作中，Milchberg、Hancock及其同事描述了他们如何创建和观察携带横向OAM的光脉冲，并在2021年《物理评论快报》上发表的一篇论文中，他们提出了一种理论，描述了如何计算这种OAM，并提供了改变STOV横向OAM的路线图。

该团队的理论中描述的后果与孩子们在操场上玩耍时的物理现象并没有太大不同。当你旋转旋转木马时，你可以通过推动它来改变角动量，而推动的有效性取决于你施加力的位置——向内推动轴你不会得到任何东西，而从侧面推动你会得到最大的变化。外边缘。

旋转木马及其上所有物体的质量也会影响角动量。例如，孩子们从移动的旋转木马上跳下来会带走一些角动量，使旋转木马更容易停止。

该团队的光横向OAM理论看起来与控制旋转木马旋转的物理原理非常相似。然而，他们的旋转木马是一个由光能组成的圆盘，分布在一个空间维度和另一个时间维度，而不是两个空间维度，并且它的轴以光速移动。

他们的理论预测，推动旋转木马光脉冲的不同部分可以改变其横向OAM不同的量，并且如果一点光从一粒灰尘上散射并离开脉冲，那么脉冲就会失去一些横向OAM。OAM与它一起。

该团队专注于测试当他们推动横向OAM涡流时会发生什么。但改变光脉冲的横向OAM并不像强力推动旋转木马那么容易。没有任何东西可以抓住并施加力。要改变光脉冲的横向OAM，您需要改变其相位。

当光穿过空间时，它的相位自然会发生变化，相位变化的速度取决于光穿过的材料的折射率。因此，米尔奇伯格和他的团队预测，如果他们能够在脉冲飞过时在选定位置产生折射率的快速变化，那么它就会弹动脉冲的该部分。

研究人员之前产生了被他们描述为“边缘优先飞行甜甜圈”的光涡流，现在他们进行了实验，他们在飞行过程中扰乱涡流的路径，以研究其动量的变化。图片来源：UMD强激光-物质相互作用实验室

然而，如果整个脉冲通过具有新折射率的区域，他们预测OAM不会发生变化，就像在旋转木马的另一侧有人试图减慢它的速度，而你却在旋转。试图加快速度。

为了测试他们的理论，该团队需要开发弹动一小部分以光速移动的脉冲的能力。幸运的是，米尔奇伯格的实验室已经发明了合适的工具。在之前的多个实验中，该小组通过使用激光快速产生等离子体来操纵光，等离子体是电子从原子中脱离出来的物质相。这个过程很有用，因为等离子体带来了新的折射率。

在新实验中，研究小组使用激光制造了狭窄的等离子体柱，他们将其称为瞬态线，这些等离子体柱足够小，并且闪现速度足够快，可以瞄准脉冲飞行中的特定区域。瞬态导线的折射率扮演着推旋转木马的孩子的角色。

研究人员生成了瞬态导线，并仔细对准了所有光束，以便导线精确地截获OAM携带脉冲的所需部分。部分脉冲穿过电线并受到弹力后，脉冲到达该团队发明的特殊光学脉冲分析仪。正如预测的那样，当研究人员分析收集到的数据时，他们发现折射率的变化改变了脉冲的横向OAM。

然后，他们对瞬态线的方向和时间进行了微调，以瞄准光脉冲的不同部分。该团队使用瞬态导线穿过两种类型脉冲的顶部和底部进行了多次测量：已经携带横向OAM的STOV和根本没有任何OAM的第二种类型，称为高斯脉冲。

对于对应于推动已经旋转或静止的旋转木马的两种情况，他们发现通过在光脉冲的顶部和底部边缘附近应用瞬态钢丝弹动来实现最大的推动力。

对于每个位置，他们还调整了各种运行中瞬态线激光器的定时，以便不同量的脉冲穿过等离子体，并且涡流接收不同量的冲击。研究人员之前产生了被他们描述为“边缘优先飞行甜甜圈”的光涡流，现在他们进行了实验，他们在飞行过程中扰乱涡流的路径，以研究其动量的变化。图片来源：UMD强激光-物质相互作用实验室

研究人员之前产生了被他们描述为“边缘优先飞行甜甜圈”的光涡流，现在他们进行了实验，他们在飞行过程中扰乱涡流的路径，以研究其动量的变化。图片来源：UMD强激光-物质相互作用实验室

该团队还表明，就像旋转木马一样，推动旋转会增加OAM，而推动旋转则会消除OAM。由于光学旋转木马的相对边缘以相反的方向行进，因此等离子线可以通过改变其位置来履行这两个角色，即使它总是被推向相同的方向。该小组表示，他们使用理论进行的计算与实验结果非常吻合。

“事实证明，超快等离子体为我们的横向OAM理论提供了精确的测试，”米尔奇伯格说。“它记录了对脉冲的可测量扰动，但扰动并没有那么强，以至于脉冲完全混乱。”

该团队计划继续探索与横向OAM相关的物理学。他们开发的技术可以为强激光束与物质相互作用期间OAM如何随时间变化提供新的见解(这是Milchberg的实验室首次发现横向OAM的地方)。

该小组计划研究横向OAM的应用，例如将信息编码到旋转光脉冲中。他们的实验结果表明，空气折射率自然发生的波动太慢，无法改变脉冲的横向OAM并扭曲其携带的任何信息。

“这项研究还处于早期阶段，”汉考克说。“很难说它会走向何方。然而，它似乎对基础物理和应用有很大的希望。称其为令人兴奋是轻描淡写的。”