激光网3月2日消息，在日常生活中，光似乎是无形的。我们走过它，用开关的拨动来创造和熄灭它。但是，就像物质一样，光实际上带有一点冲击力——它有动量。光不断推动事物，甚至可以用来推动航天器。如果光携带轨道角动量，它也可以旋转物体，OAM 是与旋转物体保持旋转趋势相关的属性。
自 90 年代初以来，科学家们就知道光可以具有 OAM，并且他们发现光的 OAM 与光相中的漩涡或涡旋有关——构成光的电磁波的峰值或波谷的位置。最初，对OAM的研究集中在光束横截面上存在的涡旋，即相位转向，就像飞机的螺旋桨沿着光的路径飞行一样。
但近年来，由UMD物理学教授霍华德·米尔希伯格领导的UMD物理学家发现，光可以在转向侧面的漩涡中携带其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旋，并将它们携带的动量描述为横向OAM。
“在我们的实验之前，人们并不认为光粒子 - 光子 - 可能具有侧向指向的OAM，”Milchberg说。“同事们最初认为这很奇怪或错误。现在，对STOV的研究正在世界范围内迅速发展，可能在光通信、非线性光学和奇特形式的显微镜等领域得到应用。
在发表在《物理评论X》杂志上的一篇文章中，该团队描述了一种新技术，他们用于在光脉冲传播时改变其横向OAM。他们的方法需要一些实验室工具，比如专门的激光器，但在许多方面，它类似于旋转游乐场旋转木马或扭动扳手。
“由于 STOV 是一个新领域，我们的主要目标是从根本上了解它们的工作原理。最好的方法之一就是惹他们，“UMD物理学博士后研究员、该论文的第一作者斯科特·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，他们提出了一种理论，描述了如何计算这种 OAM，并提供了改变 STOV 横向 OAM 的路线图。
该团队的理论中描述的后果与孩子们在操场上玩耍时的物理学并没有太大区别。当你旋转旋转木马时，你通过推动它来改变角动量，而推动的有效性取决于你施加力的位置——在轴上向内推你什么也得不到，而在外边缘侧向推动最大的变化。
旋转木马的质量和它上面的所有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止。
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学非常相似。然而，他们的旋转木马是一个由光能组成的圆盘，分布在一个空间维度和另一个时间维度而不是两个空间维度，它的轴以光速移动。
他们的理论预测，推动旋转木马光脉冲的不同部分可以改变其横向OAM的不同量，如果一点光从一粒尘埃中散射并离开脉冲，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向横向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动力那么容易;没有任何物质可以抓住并施加力量。要更改光脉冲的横向 OAM，您需要轻弹其相位。
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穿过的材料的折射率。因此，Milchberg和研究小组预测，如果他们能够在脉冲飞过时在脉冲的选定位置快速改变折射率，那么它就会轻弹脉冲的那部分。
然而，如果整个脉冲以新的折射率通过该区域，他们预测OAM不会有任何变化——就像有人在旋转木马的另一侧试图减慢它，而你试图加速它。
为了验证他们的理论，该团队需要开发一种能力，即轻弹以光速移动的一小部分脉冲。幸运的是，Milchberg的实验室已经发明了合适的工具。在之前的多个实验中，该小组通过使用激光来操纵光，以快速产生等离子体 - 电子从原子中分离出来的物质阶段。这个过程很有用，因为等离子体带来了新的折射率。
在这项新的实验中，研究小组使用激光制造了狭窄的等离子体柱，他们称之为瞬态线，这些等离子体足够小，并且足够快地闪现，以瞄准飞行中脉冲的特定区域。瞬态导线的折射率起着推动旋转木马的孩子的作用。
研究人员生成了瞬态导线，并仔细对准了所有波束，以便导线精确地拦截携带OAM的脉冲的所需部分。在部分脉冲通过导线并接收到轻弹后，脉冲到达了该团队发明的特殊光学脉冲分析仪。正如预测的那样，当研究人员分析收集的数据时，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类型脉冲的顶部和底部进行了多次测量：已经携带横向OAM的STOV和第二种称为高斯脉冲，根本没有任何OAM。
对于对应于推动已经旋转或静止的旋转木马的两种情况，他们发现最大的推动力是通过在光脉冲的顶部和底部边缘附近施加瞬态导线轻弹来实现的。
对于每个位置，他们还调整了瞬态线激光器在各种运行中的时间，以便不同数量的脉冲通过等离子体，涡旋接收不同数量的冲击。以前产生光漩涡的研究人员，他们称之为“边缘优先飞行的甜甜圈”，现在已经进行了实验，他们在飞行过程中扰乱了漩涡的路径，以研究其动量的变化。图片来源：UMD 的强激光-物质相互作用实验室。
以前产生光漩涡的研究人员，他们称之为“边缘优先飞行的甜甜圈”，现在已经进行了实验，他们在飞行过程中扰乱了漩涡的路径，以研究其动量的变化。图片来源：UMD 的强激光-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相对边缘沿相反方向行进，因此等离子线可以通过改变其位置来发挥这两个作用，即使它总是被推到同一方向。该小组表示，他们使用理论进行的计算与实验结果非常吻合。
“事实证明，超快等离子体为我们的横向OAM理论提供了精确测试，”Milchberg说。“它记录了对脉冲的可测量扰动，但不会太强，以至于脉冲完全混乱。
该团队计划继续探索与横向OAM相关的物理特性。他们开发的技术可以为OAM在强激光束与物质相互作用期间如何随时间变化提供新的见解。
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。他们从这个实验中得到的结果表明，空气折射率的自然波动太慢，无法改变脉冲的横向OAM并扭曲它所携带的任何信息。
“它处于这项研究的早期阶段，”汉考克说。“很难说它会去哪里。然而，它似乎对基础物理学和应用有很大的希望。说它令人兴奋是轻描淡写的。
