最近發(fā)表在《物理評論 X》雜志上一篇論文展示了一種新的方法，可以用一種叫做時空光學渦旋的光脈沖來控制光的軌道角動量。這種方法不同于以前的方法，它不需要用任何靜止或緩變的折射率結(jié)構(gòu)，比如相位板或空氣湍流，來轉(zhuǎn)移光的軌道角動量。這種方法可以在時空上給光施加一個扭矩，從而改變光的軌道角動量。這聽起來很神奇，讓我們來看看他們是怎么做到的。

什么是光的軌道角動量

首先，我們要了解什么是光的軌道角動量。我們都知道，光是一種電磁波，它有振幅、頻率、波長、相位、偏振等性質(zhì)。但是，光還有另一種性質(zhì)，就是角動量。角動量是一個物理量，它表示一個物體繞著某個軸旋轉(zhuǎn)的程度。比如，地球繞著太陽旋轉(zhuǎn)，就有一個角動量，我們叫它軌道角動量，因為它和物體的軌道有關(guān)。同樣，光也可以繞著它的傳播方向旋轉(zhuǎn)，就有一個軌道角動量，我們叫它光的軌道角動量。

光的軌道角動量和光的相位有關(guān)。如果光的相位在空間上是均勻變化的，那么光的軌道角動量就是零。但是，如果光的相位在空間上是不均勻變化的，那么光的軌道角動量就不是零。比如，如果光的相位沿著一個圓形的軌跡變化，那么光就有一個沿著圓心的軌道角動量，我們叫它光的渦旋角動量，或者光的拓撲電荷。這種光叫做光學渦旋，它的波前是螺旋形的，就像一個螺絲釘一樣。

光學渦旋的軌道角動量的大小和方向取決于光的拓撲電荷的大小和符號。拓撲電荷是一個整數(shù)，它表示光的相位在一個圓形軌跡上變化了多少個 2π。如果拓撲電荷是正的，那么光的軌道角動量就和光的傳播方向一致；如果拓撲電荷是負的，那么光的軌道角動量就和光的傳播方向相反。

光的軌道角動量是一個很有用的物理量，它可以用來操縱物質(zhì)，比如旋轉(zhuǎn)微粒，產(chǎn)生光學推力，制造光學陷阱，傳輸信息等等。但是，要給光施加軌道角動量，通常需要用一些特殊的裝置，比如相位板，液晶屏，空氣湍流等等。這些裝置都是靜止或緩變的，它們只能給光施加一個固定的軌道角動量，而不能隨時間改變。這就限制了光的軌道角動量的應(yīng)用范圍。那么，有沒有一種方法，可以在時空上給光施加一個可控的軌道角動量呢？答案是有的，這就是這篇論文要介紹的方法，叫做光的時空扭轉(zhuǎn)。

什么是光的時空扭轉(zhuǎn)

光的時空扭轉(zhuǎn)，顧名思義就是在時空上給光施加一個扭矩，從而改變光的軌道角動量。這種方法不需要用任何靜止或緩變的折射率結(jié)構(gòu)，而是用一種特殊的光脈沖，叫做時空光學渦旋。這種光脈沖是一種非線性光學現(xiàn)象，它是由一個強激光脈沖在一個透明介質(zhì)中傳播時產(chǎn)生的。這個強激光脈沖會在介質(zhì)中產(chǎn)生一個快速變化的相位擾動，這個相位擾動會和激光脈沖在時空上重疊，從而給激光脈沖施加一個軌道角動量。

這個軌道角動量是沿著激光脈沖的傳播方向垂直的，我們叫它橫向軌道角動量，或者橫向渦旋角動量。這種橫向軌道角動量和以前的縱向軌道角動量是不一樣的，它不是由光的相位沿著一個圓形軌跡變化產(chǎn)生的，而是由光的相位沿著一個螺旋形軌跡變化產(chǎn)生的。這種螺旋形軌跡是由激光脈沖的傳播方向和相位擾動的傳播方向共同決定的。這就是為什么這種光脈沖叫做時空光學渦旋，因為它的波前是在時空上螺旋形的，就像一個螺旋管一樣。

時空光學渦旋的橫向軌道角動量的大小和方向取決于相位擾動的速度和方向。如果相位擾動的速度和激光脈沖的速度一樣，那么時空光學渦旋的橫向軌道角動量就是零。如果相位擾動的速度比激光脈沖的速度快，那么時空光學渦旋的橫向軌道角動量就和激光脈沖的方向一致；如果相位擾動的速度比激光脈沖的速度慢，那么時空光學渦旋的橫向軌道角動量就和激光脈沖的方向相反。相位擾動的速度可以通過改變介質(zhì)的密度或溫度來調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)對時空光學渦旋的橫向軌道角動量的控制。這種控制是在時空上的，也就是說，可以隨著激光脈沖的傳播而改變，從而實現(xiàn)對光的軌道角動量的動態(tài)調(diào)節(jié)。這就是光的時空扭轉(zhuǎn)的原理。

光的時空扭轉(zhuǎn)的實驗

那么，這種光的時空扭轉(zhuǎn)是怎么實驗驗證的呢？這篇論文的作者用了一個非常巧妙的方法，就是用一個叫做光學角動量譜儀的裝置來測量時空光學渦旋的橫向軌道角動量。這個裝置的原理是利用一個叫做分數(shù)階傅里葉變換的數(shù)學操作，來將光的軌道角動量分解成不同的模式，然后用一個探測器來記錄每個模式的強度。這樣，就可以得到光的軌道角動量的譜，也就是光的軌道角動量的分布情況。

作者用一個強的紅外激光脈沖作為泵浦光，通過一個氣體管，產(chǎn)生一個時空光學渦旋。然后，用一個弱的可見光脈沖作為探測光，和時空光學渦旋共線傳播，通過一個光學角動量譜儀，測量探測光的軌道角動量的譜。作者發(fā)現(xiàn)，當氣體管的壓力變化時，探測光的軌道角動量的譜也隨之變化，表明時空光學渦旋的橫向軌道角動量也隨之變化。這就證明了光的時空扭轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。

作者還發(fā)現(xiàn)，當氣體管的壓力增加時，時空光學渦旋的橫向軌道角動量的絕對值也增加，但是符號取決于氣體管的長度。如果氣體管的長度是奇數(shù)倍的半波長，那么時空光學渦旋的橫向軌道角動量的符號和泵浦光的方向一致；如果氣體管的長度是偶數(shù)倍的半波長，那么時空光學渦旋的橫向軌道角動量的符號和泵浦光的方向相反。這就說明了時空光學渦旋的橫向軌道角動量的方向是由相位擾動的速度和方向決定的。