光学漩涡光束:照射下能轻易发现不同程度或方向的扭曲

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英国布里斯托尔大学科学家领导的国际研究团队展示了硅芯片“光学漩涡光束” 发射器集成阵列。相关研究报告将发布在最新一期《科学》杂志上。

　　一般而言，生成“光学漩涡光束”需要透镜和全息摄影等有关光学组件。这虽利于科研但对于其他应用却十分不便，尤其是在需要大量、高密度的该种光束时。而布里斯托尔大学发明的新发射器只有几微米大，比传统的元件尺寸要小数千倍。同时，它们还以硅光波导为基础，因此可以利用标准的集成电路制造技术制成。

　　科研人员表示，他们制成的微型光学漩涡设备十分小巧、紧凑，因此硅芯片内能容纳数千个发射器，而制造成本也很低廉。这种集成设备和系统能够开拓有关光学漩涡的全新应用：其能轻易地互相连接，形成光子集成电路中复杂的大型阵列，并被用于通信、传感和微粒操控等领域。

　　与传统的理念相左，这些光束并不会以直线传播，相反，它们的能量会在中空的圆锥形波束形状内呈螺旋状传递。因此这些光束看起来更像是旋风或漩涡，向左或向右扭动着。而理论上对它们的扭曲方式也没有限制。在量子力学中，这一特征与光子的轨道角动量相关。也就是说在这些光束中的光子可被认为会环绕光束轴运行，这与行星环绕恒星旋转运动类似。

　　当这些光与物质相互作用时，其可以在物质上保持一个扭矩力，因此它能被用作“光学扳手”，对微粒或液滴进行旋转和囚禁。不同程度的扭曲也可用来传输信息，其能允许单个光学信号携带更多的信息，并增加光学通信线路的容量。

　　频率相同而轨道角动量不同的光束能够传输不同的信息流。单个光子能够利用这些程度不一的扭曲来代表量子信息，其能同时呈现顺时针和逆时针的扭曲效果。此外，利用这些光进行成像和传感的应用也在研发之中。例如，在普通的光学显微镜下手性分子看起来几乎一样，而在“光学漩涡光束”的照射下，科学家能轻易发现不同程度或方向不同的扭曲。

　　研究人员还谈到，最令人兴奋的应用之一莫过于单光子水平的扭曲光控制，这使他们能够探索和开发光学漩涡的量子力学性能，并为未来在量子通信和量子计算等方面的应用奠定基础。