日常經(jīng)驗(yàn)告訴我們，從一面完全平整的鏡子中反射出來的光線會(huì)呈現(xiàn)出正確的圖像，不會(huì)產(chǎn)生任何變形。有趣的是，當(dāng)光場(chǎng)本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜時(shí)，情況卻并非如此。微小的變形就會(huì)出現(xiàn)。

坦佩雷大學(xué)的研究人員現(xiàn)在首次在實(shí)驗(yàn)室中觀測(cè)到了這些變形。研究結(jié)果證實(shí)了十多年前對(duì)這一基本光學(xué)效應(yīng)的預(yù)測(cè)。這些結(jié)果還顯示了如何將其用作確定材料特性的方法。

這一基本光學(xué)效應(yīng)的首次觀測(cè)結(jié)果以《Observation of the topological aberrations of twisted light》為題，發(fā)表在近日的《自然·通訊》（Nature Communications）上。

圖片:搜狗截圖20241006215648.png

物體扭曲光場(chǎng)的反射圖示，顯示了拓?fù)?span onclick="sendmsg('pw_ajax.php','action=relatetag&tagname=像差',this.id)" style="cursor:pointer;border-bottom: 1px solid #FA891B;" id="rlt_8">像差效果。

光是一種波。盡管科學(xué)家們對(duì)這一簡(jiǎn)單的表述已經(jīng)熟知了一個(gè)多世紀(jì)，但光學(xué)和光子學(xué)研究人員仍在不斷發(fā)現(xiàn)和探索光波的新特性和新應(yīng)用。坦佩雷大學(xué)的量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)小組（EQO）研究光的形狀或結(jié)構(gòu)的細(xì)微差別。光的結(jié)構(gòu)已成為現(xiàn)代光學(xué)的一個(gè)重要課題，其研究進(jìn)展涉及量子物理學(xué)基礎(chǔ)、信息科學(xué)和光通信等多個(gè)領(lǐng)域。

在他們的最新研究成果中，研究人員表明，當(dāng)光束從一個(gè)完全平坦的物體（如鏡子）上反射出來時(shí)，其形狀會(huì)發(fā)生輕微變形。雖然這種變形非常小，但卻包含了物體本身的重要信息，例如它的材質(zhì)。這種所謂的拓?fù)湎癫钚��?yīng)是英國研究人員十多年前預(yù)測(cè)到的，現(xiàn)在首次被觀測(cè)到。

“EQO小組組長(zhǎng)羅伯特-菲克勒（Robert Fickler）副教授解釋說：“雖然觀測(cè)形變的一般想法看起來相當(dāng)簡(jiǎn)單，但我們花了一年多的時(shí)間來完善實(shí)驗(yàn)，并調(diào)整原始理論，以便將這種效應(yīng)與實(shí)驗(yàn)研究中自然出現(xiàn)的所有其他光束形變區(qū)分開來。”

光明與黑暗的漩渦

隨著近年來光波整形技術(shù)的進(jìn)步，結(jié)構(gòu)光領(lǐng)域在近幾十年來蓬勃發(fā)展。人們對(duì)這一領(lǐng)域的興趣主要來自于所謂的扭曲光波，這種光波不僅能以光速傳播，還能在傳播過程中旋轉(zhuǎn)。

該研究的主要作者、科學(xué)院博士后研究員Rafael Barros補(bǔ)充道：“這些扭曲光場(chǎng)的奇特之處在于，它們中有一些點(diǎn)是完全黑暗的，我們稱之為光學(xué)漩渦，就像水中的漩渦，而漩渦本身是無水的。我們所做的就是觀察當(dāng)光束與平面物體相互作用時(shí)，這些漩渦是如何穿行和移動(dòng)的，以及我們能從這些移動(dòng)中了解到什么。我們所做的就是觀察當(dāng)光束與平面物體相互作用時(shí)，這些漩渦是如何穿行和移動(dòng)的，以及我們能從這些移動(dòng)中了解到什么�！�

光場(chǎng)中渦旋的動(dòng)力學(xué)一直是長(zhǎng)期研究的課題，通常被視為一個(gè)復(fù)雜的數(shù)學(xué)問題。在他們的工作中，作者們研究了扭曲光場(chǎng)的旋渦在物體反射時(shí)是如何運(yùn)動(dòng)的。

他們的研究表明，雖然每個(gè)光渦旋的運(yùn)動(dòng)方式都很復(fù)雜，但它們的集體運(yùn)動(dòng)是由物體的特性決定的，其方式簡(jiǎn)單而可預(yù)測(cè)。研究人員指出，他們的工作將為利用結(jié)構(gòu)波測(cè)量材料特性帶來新的啟發(fā)。這將為光學(xué)技術(shù)帶來新的變化。

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