最新科學發現：光線傳播竟然會螺旋拐彎？

近日，據物理學家組織網的報道，來自西班牙和美國的科學家組成的一個國際科研團隊宣布，他們發現了光的一種新特性——自扭矩特性。也就是說，光具備可以扭曲的特性，這種屬性叫做角動量。

具有高度結構化角動量的光束具有軌道角動量（OAM），並且被稱為渦旋光束。它們看起來像一個圍繞共同中心的螺旋線，當它們撞擊一個平坦的表面時，它們看起來像圓環形。

實驗內容:

首先朝氬氣雲發射兩束激光，迫使光束重疊，使之成為單數激光從另一側射出，結果形成了一種旋渦光束。

繼續實驗，調整兩束入射激光的軌道角動量，並且使之稍微不同步後，形成了一束想開瓶器並且扭曲情況逐漸變化的旋渦光束。

實驗現象:

渦旋光束看起來就像一個圍繞共同中心旋轉的螺旋，當其撞擊一個平坦表面時，它們看起來像甜甜圈那樣的圓環。在新研究中，研究人員用具有軌道角動量的光束進行實驗，因為他們發現，這種光的行為方式前所未有。從另一個角度來看，光束前面的單個光子圍繞其中心軌道運行的速度比其後面的光子慢。

結果猜想:

將本次實驗現象，光的新屬性稱為自扭矩。這一屬性此前從未被人預測過。

應用領域:

研究人員認為，使用他們的技術應該可以調製光的軌道角動量，其調製方式與通信設備中調製頻率的方式非常相似，這有望催生能操縱極微小材料的新型設備。

根據經典電動力學理論，電磁輻射既攜帶線動量也攜帶角動量，其中，角動量是由自旋角動量（Spin Angular Momentum，SAM）和軌道角動量（Orbital Angular Momentum，OAM）組成的。自旋角動量僅與光子的自旋有關，表現為圓偏振狀態。

圖1 自旋角動量示意圖

軌道角動量表示電子繞傳播軸旋轉，是由能量流（由坡印廷矢量描述）圍繞光軸旋轉而產生的，它使電磁波的相位波前呈渦旋狀，因此，攜帶有軌道角動量的電磁波也被稱為渦旋電磁波。

圖2 軌道角動量示意圖

將軌道角動量應用在電磁波中，在正常的電磁波中添加一個相位旋轉因子，此時電磁波波前將不再是平面結構，而是繞著波束傳播方向旋轉，呈現出一種螺旋的相位結構。渦旋波每繞傳輸軸旋轉一圈，相位波就前進。

圖3 不同下的波前和等相位面圖

1992年，Allen等人證實了軌道角動量（Orbital Angular Momentum，OAM）的存在，人們由此開始探討軌道角動量的應用。最初對軌道角動量的應用主要在光通信領域。2014年，在維也納實現了攜帶OAM的光波在自由空間中的3km傳輸，其誤碼率小於1.7%。

圖4 在維也納進行的OAM傳輸實驗

2007年，瑞典空間物理研究所Thidé B教授等人首次提出將光子OAM應用於低頻，通過模擬驗證了可以使用相控陣列天線產生渦旋電磁波，開創了將軌道角動量應用於無線通信中的先河，提出了將渦旋電磁波用於擴大無線通信容量的設想。

Mohammadi S M等人利用相控陣列天線產生了渦旋電磁波，並在29.98MHz處進行了實驗，並且提出，當圓形陣列天線直徑越大時，波瓣圖中兩個對稱主瓣之間的夾角減小，圖案變得更加準直，並且旁瓣數量增加，由於旁瓣的角度比主瓣寬的多，所以它們不會沿著波束軸被檢測到，但是旁瓣的增加會導致能量的分散，因此可以通過合理設計天線直徑來控制OAM傳播的方向性。除了相控陣列天線以外，在無線通信領域還有很多種渦旋波生成方法，例如階梯型反射面天線、螺旋拋物面天線、時間開關相控陣列天線陣列法等。

圖5 螺旋拋物面天線

目前在無線通信領域，對OAM的研究主要集中在如何利用復用技術提高頻譜利用率和傳輸效率。2011年，Fabrizio Tamburini等人在義大利威尼斯採用螺旋拋物面天線和八木天線第一次驗證了渦旋波在無線通信復用傳輸中的可能性，該實驗經過442米傳輸。文獻利用不同狀態的OAM進行復用傳輸，可達到最大32Gbit/s的傳輸速率和16Gbit/s/Hz的頻譜效率。

圖6 威尼斯實驗

在光纖通信領域，由於現網中廣泛使用的是單模光纖傳輸，而傳統單模光纖支持的傳輸模式必須是基模，具有螺旋相位波前的渦旋波在單模光纖中傳輸是會由於模式簡單簡併退化成平面波，目前只能依賴特殊光纖傳輸OAM信道。2013年，Alan E. Willner團隊利用特殊設計的光纖來傳輸OAM光束，實現了1.6 Tbit/s的光信息傳輸，傳輸光纖長為1.1km，這項研究為未來基於OAM的光通信技術的光纖傳輸提供了可能。但是特殊光纖的設計、製作成本較高，不利於推廣使用，也不利於與現有網路進一步融合。因此，要把OAM技術應用於光纖通信領域還是有一定難度的。

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