近日，西安電子科技大學（簡稱“西電”）物理學院教授郭立新團隊與南非金山大學教授Andrew Frobes合作，共同探討了軌道角動量在光學計量學中的應用前景，解析了渦旋光束在光學計量學中的基本原理及其重要進展。這一成果發表在國際學術期刊《光科學與應用》(Light-science & Applications)上。
論文作者介紹，相比于傳統光束，渦旋光束具備更高維度的信息傳遞能力，能夠通過線性與旋轉多普勒效應，精確測量物體的三維運動，包括轉動和平移速度。渦旋光束的軌道角動量（OAM）譜可以作為獨特的特征數據進行整合，使得計量分析能力跨越式提升。這一技術已在微尺度工程、生物醫學、深空探索、量子傳感等領域展現出廣闊的應用前景。
渦旋光束用于探測復雜介質。論文作者供圖
論文作者團隊向我們展示了如何利用攜帶OAM的扭曲光束在光學計量中建立新的范式。通過觀察依賴于OAM和偏振的頻率變化，利用現代多普勒效應的解釋，實現了對三維運動粒子位置的跟蹤。
“傳統的多普勒效應只能追蹤朝向或遠離觀察者的運動，但將軌道角動量引入標量光和矢量光中，能夠實現各個方向的運動跟蹤，包括三維螺旋運動。”郭立新教授指出。“這一進展徹底改變了動態系統的計量學。”
該論文不僅涵蓋了經典的光學計量，還探討了在量子糾纏疊加態和單光子態中應用OAM的潛力。向量子領域的過渡有望通過減少測量次數來降低噪聲，從而提升準確性和精度。
本研究成果論文深入探討了渦旋光束在光學計量學中的基本原理及其重要進展。渦旋光束以其獨特的螺旋相位結構和攜帶OAM的特性，展現出在光學計量學中的顯著優勢。這些光束不僅能夠實現光與物質之間的手性相互作用的高度靈敏檢測，還可通過線性和旋轉多普勒效應實現精確的三維運動監測。渦旋光束在探測復雜介質方面表現出色，其應用領域涵蓋環境監測、深部組織成像及嘈雜信道通信等。
郭立新補充說，通過與復雜性理論及人工智能相結合，這些技術有望進一步完善和發展。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01665-1