說明：本文由課題組投稿

我們的教科書上從傳統(tǒng)光學(xué)的角度定義了光作為電磁波的一種形式，具有波長、頻率、振幅、相位與偏振等特性。然而實(shí)質(zhì)上，光的結(jié)構(gòu)卻可以無限復(fù)雜。通過從時(shí)間到空間上調(diào)整光的多個(gè)自由度，我們可以得到多種復(fù)雜排列組合的結(jié)構(gòu)光。

軌道角動(dòng)量(OAM)可能是最熱門的例子，其中一些攜帶了軌道角動(dòng)量的結(jié)構(gòu)光也不乏更高維的表現(xiàn)形式，這些高維結(jié)構(gòu)光組成了一個(gè)解決實(shí)際工程問題的工具包，助力光的傳輸、存儲(chǔ)、檢測(cè)等領(lǐng)域的發(fā)展。盡管對(duì)光的自由度的調(diào)控正慢慢受到廣泛的關(guān)注，從量子態(tài)和經(jīng)典態(tài)的角度充分利用這些新的自由度仍然具有挑戰(zhàn)性，處于起步階段。

為慶祝光學(xué)軌道角動(dòng)量概念誕生30周年，Light: Science & Applications最近以“Towards higher-dimensional structured light”為題發(fā)表回顧與前瞻（Perspective）文章。

本篇文章，我們討論了為高維結(jié)構(gòu)光創(chuàng)建、檢測(cè)和控制多個(gè)自由度的方法、挑戰(zhàn)和機(jī)遇。討論了產(chǎn)生、檢測(cè)和控制高維結(jié)構(gòu)光的多個(gè)自由度更高維度的方法、挑戰(zhàn)和機(jī)會(huì)。提出了從基礎(chǔ)研究到應(yīng)用的未來發(fā)展趨勢(shì)路線圖，集中在更大容量、更高安全性的信息處理和通信等方面的潛力。這篇文章涵蓋了高度熱點(diǎn)和爆炸性的結(jié)構(gòu)光領(lǐng)域，隨著越來越多的自由度在我們的控制下，結(jié)構(gòu)光正在獲得牽引力。

光有多少自由度？我們?nèi)绾慰刂扑鼈儯?nbsp; 

從光波基本表達(dá)式，我們可以直觀地總結(jié)出幾個(gè)基本自由度：空間、時(shí)間、幅度、波長（或頻率）、相位和偏振（光子的自旋）。然而與光的復(fù)雜行為相關(guān)的自由度不受這六個(gè)基本要素的限制。

例如，光的軌道角動(dòng)量（OAM），揭示渦旋光束中的螺旋相位分布是一個(gè)空間和相位的組合自由度。如果我們考慮更復(fù)雜的空間分布，結(jié)合 OAM 所具有的相位奇點(diǎn)和拓?fù)湫再|(zhì)，可以推廣到結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的渦旋晶格或多奇點(diǎn)陣列等概念。

總角動(dòng)量 (TAM) 是其中更為典型的一個(gè)例子：TAM 是 OAM 與自旋角動(dòng)量（SAM）之和，能夠描述具有空間變化的更一般的矢量渦旋光束的特性，從而使結(jié)構(gòu)光束實(shí)現(xiàn)更多應(yīng)用。

我們還可以考慮將時(shí)間作為一個(gè)調(diào)制自由度，從而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)脈沖，打破傳統(tǒng)分離變量解的限制。時(shí)空調(diào)制的結(jié)構(gòu)光在探索新物理中也起著重要作用，時(shí)間和波長/頻率相結(jié)合得到的結(jié)構(gòu)啁啾脈沖可以催生各種脈沖整形技術(shù)，如產(chǎn)生波長（或光譜）與 OAM 共同調(diào)制的結(jié)構(gòu)光，并使用其強(qiáng)大的復(fù)用能力實(shí)現(xiàn)大容量通信。

按照這樣的策略，我們可以從理論上無限地創(chuàng)建新的自由度，并通過多個(gè)的基本自由度的結(jié)合，推動(dòng)基礎(chǔ)科學(xué)研究，刺激新興應(yīng)用方式的產(chǎn)生。

圖1：構(gòu)造高維結(jié)構(gòu)光的多種潛在自由度

下面我們用幾個(gè)展望（文章中幾個(gè)代表性例子），代表性地展示我們能從高維結(jié)構(gòu)光的發(fā)現(xiàn)和控制中得到什么？

展望1：基于結(jié)構(gòu)光高維復(fù)用維度的光學(xué)信息傳輸

現(xiàn)有的光通信方案正在迅速接近其信息容量的極限，需要進(jìn)一步拓展傳輸光的維度，從而實(shí)現(xiàn)更高信息量的數(shù)據(jù)傳輸。一個(gè)較為典型的想法是利用光的空間自由度實(shí)現(xiàn)復(fù)用，從而獲得更多的通道和更大的通道容量，代表性方法為空分復(fù)用 (SDM)或模分復(fù)用 (MDM)。多路復(fù)用技術(shù)的關(guān)鍵在于軌道角動(dòng)量的使用，以及與其他調(diào)控自由度配合，以在通信中實(shí)現(xiàn)超高容量、速度和低誤碼率。

展望2：基于結(jié)構(gòu)光的多維信息存儲(chǔ) 

光學(xué)信息存儲(chǔ)是多路復(fù)用技術(shù)的另一重要應(yīng)用。傳統(tǒng)的光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方法具有原理上的局限性，即數(shù)據(jù)記錄單元被限制在衍射極限區(qū)域，因此容量只能達(dá)到幾十千兆字節(jié) (GB)。但近年來結(jié)構(gòu)光與納米光子學(xué)技術(shù)的革命性發(fā)展，為超越GB量級(jí)的超高光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的實(shí)現(xiàn)鋪平了新的道路。納米粒子材料具有偏振選擇性和光譜選擇性等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，為光存儲(chǔ)帶來了多維復(fù)用可能性, 能夠?qū)崿F(xiàn)空間、偏振和波長實(shí)現(xiàn)5D光復(fù)用。在此基礎(chǔ)上，使用光的軌道角動(dòng)量作為附加維度，可以將多路復(fù)用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)擴(kuò)展到6D。結(jié)構(gòu)光的多維復(fù)用能夠有效提升信息存儲(chǔ)的讀寫速度、容量和安全性。

圖2：面向高維光信息存儲(chǔ)和傳輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)光復(fù)用技術(shù)

展望3：高維光場調(diào)制器件和方法

自適應(yīng)光學(xué)（Adaptive optics）是一項(xiàng)使用自適應(yīng)器件對(duì)波前畸變進(jìn)行校準(zhǔn)的技術(shù)，其在天體觀測(cè)、顯微、通信等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。當(dāng)下自適應(yīng)光學(xué)的使用范圍主要聚焦在補(bǔ)償相位像差。隨著矢量光學(xué)的發(fā)展（如矢量光通信、矢量顯微成像）及光復(fù)用維度的增加，為了精確獲得矢量信息，校準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)中的矢量像差變得越來越重要。為此，下一代矢量自適應(yīng)光學(xué)應(yīng)運(yùn)而生（用于同時(shí)校準(zhǔn)偏振和相位的像差）。特別的，在無傳感器的校準(zhǔn)方法中，矢量澤尼克爾的多項(xiàng)式 (Zernike polynomials) 提供了高維光復(fù)用的另一種可能性。此外，基于激光直寫的新型液晶（liquid crystal）器件、以及用于復(fù)雜光場進(jìn)行調(diào)制的超平面（metasureface）器件，近年來也受到廣泛的關(guān)注。它們的快速發(fā)展也為下一代多維光復(fù)用提供了重要的器件保障和方法支撐。

圖3：自適應(yīng)光學(xué)助力的自由結(jié)構(gòu)光場調(diào)控

展望4：高維量子結(jié)構(gòu)光

除了經(jīng)典領(lǐng)域的進(jìn)展之外，近年來，結(jié)構(gòu)光的量子態(tài)同樣得到了巨大的發(fā)展和應(yīng)用。產(chǎn)生光量子態(tài)的基礎(chǔ)是利用非線性光學(xué)晶體自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換（SPDC）技術(shù)。在SPDC過程中，輸入一個(gè)藍(lán)色的高能光子到非線性晶體中，它可以轉(zhuǎn)換和產(chǎn)生出兩個(gè)相同的紅色的低能量的糾纏光子，這就是產(chǎn)生光量子糾纏的基本原理。而傳統(tǒng)意義上，在這個(gè)過程中光子是局限于高斯基模的空間結(jié)構(gòu)。隨著結(jié)構(gòu)光在量子領(lǐng)域的發(fā)展，具有結(jié)構(gòu)光模式的量子糾纏已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)和理論證實(shí)，并開啟了復(fù)雜結(jié)構(gòu)光子糾纏的新研究方向。第一個(gè)結(jié)構(gòu)光的量子糾纏實(shí)驗(yàn)利用的是光子的OAM模式作為自由度，與傳統(tǒng)偏振糾纏光子類似，但是具有無限的維度，開啟了拓展到多個(gè)量子比特空間的量子信息學(xué)的研究。

今天，OAM 糾纏結(jié)構(gòu)光已被推廣到各種渦旋光模式，以及具有自旋-軌道（SAM-OAM）混合自由度的多個(gè)結(jié)構(gòu)光子糾纏，并實(shí)現(xiàn)各種高維量子信息和通訊協(xié)議的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于高維量子結(jié)構(gòu)光的應(yīng)用，當(dāng)前的挑戰(zhàn)不僅在于拓展所需的維度，更在于將利用其編碼的信息完整地安全的通過信道傳輸，例如，通過自由空間或光纖傳輸結(jié)構(gòu)光子進(jìn)行更快更安全的量子通信。在高維量子信息發(fā)展的路上，雖然還有許多里程碑有待達(dá)到，但是實(shí)用化全球量子通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)值得期待了。

圖4：高維量子結(jié)構(gòu)光

展望5：探尋光學(xué)新結(jié)構(gòu)—斯格明子

在最新的對(duì)于量子系統(tǒng)、手性磁介質(zhì)等多成分凝聚態(tài)的研究中，斯格明子（Skyrmion）作為一種在多參量連續(xù)對(duì)稱性下的非平庸拓?fù)鋺B(tài)被廣泛報(bào)道。斯格明子最初由英國粒子物理學(xué)家托尼·斯格明（Tony Skyrme）在1962年提出作為核子的統(tǒng)一模型，它的行為就像具有精致紋理的納米級(jí)磁漩渦。這種紋理可以理解為將一個(gè)帶刺的矢量球展開到一個(gè)二維平面上，類似于球極投影，這種局限在二維平面的三維矢量場就表示一個(gè)斯格明子，就像我們可以多樣地梳理“球上的毛發(fā)”，斯格明子具有豐富的拓?fù)鋺B(tài)去調(diào)控。

斯格明子起初是一種特殊的拓?fù)渥孕Y(jié)構(gòu)，在量子場論、固體物理、磁介質(zhì)等領(lǐng)域中有重要的地位。由于其獨(dú)特的拓?fù)浞€(wěn)定性而被廣泛認(rèn)為是一種具有高速度，高密度，低能耗等特點(diǎn)的高效信息載體，對(duì)下一代信息存儲(chǔ)和傳輸技術(shù)革新具有重要作用。并且，最新的研究發(fā)現(xiàn)斯格明子也同樣可以在光場中形成和被調(diào)控，高維結(jié)構(gòu)光的發(fā)展為構(gòu)造高維斯格明子復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提供了可能。

現(xiàn)在，在實(shí)驗(yàn)上能夠產(chǎn)生的自由調(diào)控拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的光學(xué)斯格明子在學(xué)界仍然是一項(xiàng)巨大挑戰(zhàn)。如果可以打破這種斯格明子拓?fù)潆y以大范圍自由調(diào)控局限，如果可以產(chǎn)生拓?fù)鋺B(tài)可自由操控的斯格明子，將為下一代信息革命開辟了無限可能，如光通信、信息加密、自旋軌道相互作用和拓?fù)湎嘧?，為先進(jìn)光子學(xué)基礎(chǔ)理論拓展和實(shí)際應(yīng)用帶來新的機(jī)遇。

圖5：光學(xué)斯格明子與拓?fù)錅?zhǔn)粒子

我們用軌道角動(dòng)量(OAM)作為一個(gè)開創(chuàng)性的例子，慶祝它自1992年首次提出以來取得的 30 年進(jìn)展?？紤]到這一領(lǐng)域所影響的巨大范圍，我們將應(yīng)用端集中在信息處理和通信的容量和安全性上，涉及經(jīng)典和量子方法。

你會(huì)看到這篇 Light 文章具有權(quán)威的書寫，精美的插圖，涵蓋了結(jié)構(gòu)光的基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用。重要的是，這是第一個(gè)展望更高維度可能達(dá)到的結(jié)構(gòu)光，以及在追求這一目標(biāo)過程中的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

| 論文信息 |

He, C., Shen, Y. & Forbes, A. Towards higher-dimensional structured light. Light Sci Appl 11, 205 (2022). 

https://doi.org/10.1038/s41377-022-00897-3

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