利用環形纖芯光纖與相位掩模實現角位置光場廣義自成像及其相關軌道角動量的示意圖

芬蘭坦佩雷大學和法國Kastler-Brossel實驗室的光子學研究者們，通過實驗展示了一個具有近兩百年歷史的光學現象——光自成像，如何應用于圓柱系統。這項研究實現了對光結構的空前控制，為先進光通信系統開辟了巨大潛力。此外，研究者們還發現了一種新型時空對偶性，為連接光學不同領域建立了強有力的類比框架。

1836年，Henry F. Talbot進行了一項開創性實驗，觀察到光在無任何透鏡或成像光學元件的情況下，經過特定傳播距離后自發重現原始圖案的現象。這種自成像現象后來被命名為Talbot效應。

近期，來自坦佩雷大學實驗量子光學研究組和巴黎高等師范學院Kastler Brossel實驗室復雜介質光學研究組的光場調控專家展開合作，對圓柱系統中的Talbot效應的自成像現象進行了前所未有的深入研究。這項結合了基礎物理發現與光通信實際應用的重要成果，已發表于《自然·光子學》期刊。

探索圓柱幾何結構中的自成像效應

在環形纖芯光纖中傳播的光會經歷獨特的自成像過程，不過這次發生在角度維度。

該研究的共同第一作者、博士研究員Matias Eriksson解釋道："當光從環形纖芯的特定角位置進入光纖時，首先會沿圓柱形纖芯周向擴散，隨后通過自成像過程完美重組形成原始光場。"

值得注意的是，這種角位置的自成像僅是圓柱幾何中基礎現象的一部分。類似的干涉效應同樣存在于光的軌道角動量這一重要特性中，該特性使得光能夠驅動粒子繞光軸旋轉，即沿環形路徑軌道運動。從本質上說，角位置與軌道角動量這對物理量具有互補性：精確確定其中一個量時，另一個量的精度就會受限。

研究團隊首次在單一實驗中實現了角度與軌道角動量的自成像協同控制，達成了對光場空間結構的空前調控。但研究的突破不止于此，科學家們還深入探索了其時域關聯，并展示了其在光通信中的重要應用。

架起光學兩大熱門領域的橋梁

光學中的基本概念——時空對偶性認為，許多空間維度觀察到的效應同樣存在于光的時間結構中。基于這一原理，周期性光脈沖序列及其對應的頻率梳(即僅包含確定且等距頻率成分的光)會產生廣義的自成像效應。

在本項研究中，研究者通過揭示角度/角動量與時間/頻率之間的深刻聯系，發現了一種新型時空對偶形式。

另一位共同第一作者Jianqi Hu博士解釋道："這意味著這兩個領域觀察到的物理現象存在廣泛關聯，某一領域的技術手段可遷移應用于另一領域"。Hu博士曾任職于Kastler Brossel實驗室，現任瑞士洛桑聯邦理工學院研究員。

基礎效應推動光通信應用

得益于對自成像效應更深刻的理論認識及其伴隨的先進調控能力，研究團隊還展示了該發現在光通信中的重要應用。

Eriksson 說："我們可以巧妙調控廣義自成像效應，在光的軌道角動量維度實現信息編碼、轉換與解碼，使其成為獨立通信信道。"

當前研究表明，實現無損、無串擾的超高數據速率傳輸已具備理論可行性，這或將深刻影響未來光通信技術的發展方向。

審核編輯 黃宇