計量學(xué)是現(xiàn)代工業(yè)的基石，為我們衡量世界提供了關(guān)鍵的標準。特別是光學(xué)計量學(xué)，歷史上一直利用干涉的概念，自托馬斯·楊200多年前的時代以來基本沒有變化。然而，通過將條紋概念外推到其他自由度，能否獲取更多信息呢？

在《光：科學(xué)與應(yīng)用》上發(fā)表的一篇最新論文（題為“Metrology with a twist: probing and sensing with vortex light”）中，，西安電子大學(xué)郭立新教授領(lǐng)導(dǎo)的一個科學(xué)家團隊分享了他們對涉及軌道角動量（OAM）的光學(xué)計量學(xué)過去和未來的看法。

圖片:搜狗截圖20250107174939.png

這篇論文探討了該領(lǐng)域的基本原理、應(yīng)用和開創(chuàng)性的進展。研究人員展示了攜帶OAM的渦旋光束如何用于測量的新范例，例如，利用現(xiàn)代多普勒效應(yīng)的解釋，通過觀察取決于OAM和偏振的頻率變化來進行3D粒子位置跟蹤。

南非金山大學(xué)的通訊作者Andrew Frobes教授說：“原始的多普勒效應(yīng)只能追蹤物體朝向或遠離觀察者的運動，但在標量和矢量光中加入軌道角動量后，就可以追蹤所有方向的運動，包括旋轉(zhuǎn)運動。這一進步徹底改變了動態(tài)系統(tǒng)的計量學(xué)�！�

這不僅是現(xiàn)有工具范式的轉(zhuǎn)變，還有全新儀器的發(fā)明推動著這個領(lǐng)域向前發(fā)展。其中一個例子是OAM光譜作為系統(tǒng)的“特征標識”：當攜帶OAM的光穿過復(fù)雜介質(zhì)時，其OAM會改變，從而導(dǎo)致OAM光譜形狀的變化。

主要作者程明建博士說：“這種介質(zhì)的OAM指紋包含了大量可以利用的信息。”

正如綜述所強調(diào)的，如果通過機器學(xué)習和人工智能來解讀OAM光譜，就為復(fù)雜介質(zhì)的實時分析和識別打開了大門，OAM光作為一種探針，這一話題正迅速受到關(guān)注。

這篇綜述不僅不僅涵蓋了經(jīng)典的光學(xué)計量，還探討了在量子糾纏疊加態(tài)和單光子態(tài)中應(yīng)用OAM的潛力。向量子領(lǐng)域的過渡有望通過減少測量次數(shù)來降低噪聲，從而提升準確性和精度。然而，這個領(lǐng)域的這一方面仍處于發(fā)展的早期階段。

Andrew Frobes教授說：“利用OAM的量子計量學(xué)仍然是一個新興領(lǐng)域，有眾多尚未發(fā)掘的機會�！�

這篇綜合綜述涵蓋了從微觀尺度的納米傳感到宇宙尺度測量黑洞等廣泛應(yīng)用。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01665-1