在日常生活中，光似乎是无形的。我们穿过它，通过一个开关来创造和消灭它。但是，像物质一样，光实际上也有一点冲击力——它有动量。光不断地推动物体，甚至可以用来推动宇宙飞船。如果光携带轨道角动量(OAM)，它也可以使物体旋转——这一特性与旋转物体保持旋转的趋势有关。

早在上世纪90年代初，科学家们就已经知道光可以有OAM，他们发现光的OAM与光相位中的漩涡或漩涡有关，即构成光的电磁波的波峰或波谷的位置。最初，对OAM的研究主要集中在光束横截面上存在的涡流上，这种涡流就像飞机的螺旋桨沿着光的路径飞行一样。

但近年来，由马里兰大学物理学教授霍华德·米尔奇伯格(Howard Milchberg)领导的马里兰大学物理学家发现，光可以在一个转向一侧的漩涡中携带OAM——相位像汽车上的轮子一样旋转，随着光一起滚动。研究人员将这些光结构称为时空光学涡流(stov)，并将其携带的动量描述为横向OAM。

Milchberg说:“在我们的实验之前，人们并没有意识到光子粒子可以有侧向指向的OAM。”“同事们最初认为这很奇怪，或者是错误的。现在，对stov的研究在全球范围内迅速发展，可能应用于光通信、非线性光学和特殊形式的显微镜等领域。”

在发表在《物理评论X》杂志上的一篇文章中，该团队描述了一种他们用来改变光脉冲传播过程中横向OAM的新技术。他们的方法需要一些实验室工具，比如专门的激光，但在很多方面，它类似于旋转游乐场的旋转木马或拧扳手。

“由于stov是一个新领域，我们的主要目标是对其工作原理有一个基本的了解。要做到这一点，最好的方法之一就是搅乱它们，”该论文的第一作者、马里兰大学物理学博士后研究员斯科特·汉考克说。“基本上，改变光脉冲横向OAM的物理规则是什么?”

在之前的工作中，Milchberg、Hancock及其同事描述了他们如何创建和观察携带横向OAM的光脉冲，并在2021年发表在《物理评论快报》上的一篇论文中，他们提出了一个理论，描述了如何计算这种OAM，并提供了改变STOV横向OAM的路线图。

该团队的理论所描述的结果与孩子们在操场上玩耍时的物理现象并没有太大的不同。当你旋转旋转木马时，你通过推它来改变角动量，而推的效果取决于你施加的力的位置——向内推轴没有任何效果，而向外推则会产生最大的变化。

旋转木马的质量和它上面的东西也会影响角动量。例如，孩子们从移动的旋转木马上跳下来会带走一些角动量，使旋转木马更容易停下来。

该团队关于光的横向OAM理论看起来与控制旋转木马旋转的物理原理非常相似。然而，他们的旋转木马是一个由光能组成的圆盘，在一个空间维度和另一个时间维度上排列，而不是两个空间维度，它的轴以光速运动。

他们的理论预测，推动旋转光脉冲的不同部分可以改变其横向OAM的不同量，如果有一点光从尘埃中散射出来并离开脉冲，那么脉冲就会失去一些横向OAM。

该团队专注于测试当他们推动横向OAM涡流时会发生什么。但是改变光脉冲的横向OAM并不像给旋转木马一个坚实的推力那么容易;没有任何物质可以抓住并施加力。为了改变光脉冲的横向OAM，你需要改变它的相位。

当光在空间中传播时，它的相位自然会发生变化，而相位变化的速度取决于光所经过的材料的折射率。因此，Milchberg和他的团队预测，如果他们能在脉冲经过的特定位置产生折射率的快速变化，它就会轻拂那部分脉冲。

然而，如果整个脉冲以新的折射率通过该区域，他们预测oam不会发生变化，就像有人在旋转木马的另一边试图让它慢下来，而你却试图让它加速一样。

为了验证他们的理论，该团队需要开发一种能力，可以轻拂一小段以光速运动的脉冲。幸运的是，米尔奇伯格的实验室已经发明了合适的工具。在之前的多次实验中，该小组已经通过使用激光快速产生等离子体来操纵光，等离子体是一种物质的阶段，其中电子已经从原子中分离出来。这个过程是有用的，因为等离子体带来了一个新的折射率。

在新的实验中，研究小组使用激光制造出狭窄的等离子体柱，他们称之为瞬态导线，这些等离子体足够小，并且能够快速闪现，以瞄准脉冲飞行中的特定区域。瞬时金属丝的折射率就像小孩子推着旋转木马。

研究人员制作了瞬态导线，并精心排列了所有的光束，以便导线精确地拦截携带oam脉冲的所需部分。在部分脉冲通过导线并接受轻击后，脉冲到达该团队发明的特殊光脉冲分析仪。正如预测的那样，当研究人员分析收集到的数据时，他们发现折射率轻弹改变了脉冲的横向OAM。

然后，他们对瞬态导线的方向和时间进行了轻微的调整，以瞄准光脉冲的不同部分。该团队使用瞬态导线穿过两种脉冲的顶部和底部进行了多次测量:一种是已经携带横向OAM的stov，另一种是完全没有OAM的高斯脉冲。

对于两种情况，即推动一个已经旋转或静止的旋转木马，他们发现，通过在光脉冲的顶部和底部边缘附近施加瞬态导线轻弹，可以实现最大的推动。

对于每个位置，他们还在不同的运行中调整瞬态线激光的时间，以便不同数量的脉冲穿过等离子体，漩涡接收不同数量的踢。研究人员先前产生的光漩涡被他们描述为“边缘优先的飞行甜甜圈”，现在他们进行了实验，他们在飞行中干扰漩涡的路径，以研究其动量的变化。图片来源:UMD强激光物质相互作用实验室

研究人员先前产生的光漩涡被他们描述为“边缘优先的飞行甜甜圈”，现在他们进行了实验，他们在飞行中干扰漩涡的路径，以研究其动量的变化。图片来源:UMD强激光物质相互作用实验室

该团队还表明，就像旋转木马一样，推动旋转会增加OAM，而推动旋转会消除OAM。由于光学旋转木马的两端沿相反的方向运动，等离子体线可以通过改变位置来完成这两个角色，即使它总是被推向同一个方向。该小组表示，他们使用他们的理论进行的计算与他们的实验结果非常吻合。

“事实证明，超快等离子体为我们的横向OAM理论提供了精确的测试，”Milchberg说。“它记录了一个可测量的脉冲扰动，但没有强到脉冲完全混乱的程度。”

该团队计划继续探索与横向OAM相关的物理学。他们开发的技术可以为在强激光束与物质相互作用期间OAM如何随时间变化提供新的见解(这是Milchberg的实验室首次发现横向OAM的地方)。

该小组计划研究横向OAM的应用，例如将信息编码到旋转的光脉冲中。他们的实验结果表明，自然发生的空气折射率波动太慢，无法改变脉冲的横向OAM，也无法扭曲它所携带的任何信息。

“这项研究还处于早期阶段，”汉考克说。“很难说它会走向何方。然而，它似乎在基础物理和应用方面有很多希望。说它令人兴奋是轻描淡写的。”

更多资料:S. W. Hancock等，光的时空扭曲，物理评论X(2024)。DOI: 10.1103 / PhysRevX.14.011031

马里兰大学提供

引文:新的激光实验使光像旋转木马一样旋转(2024,3月1日)，2024年3月2日检索自https://phys.org/news/2024-03-laser-merry.html

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