近日，西安电子科技大学（简称“西电”）物理学院教授郭立新团队与南非金山大学教授Andrew Frobes合作，共同探讨了轨道角动量在光学计量学中的应用前景，解析了涡旋光束在光学计量学中的基本原理及其重要进展。这一成果发表在国际学术期刊《光科学与应用》(Light-science & Applications)上。

论文作者介绍，相比于传统光束，涡旋光束具备更高维度的信息传递能力，能够通过线性与旋转多普勒效应，精确测量物体的三维运动，包括转动和平移速度。涡旋光束的轨道角动量（OAM）谱可以作为独特的特征数据进行整合，使得计量分析能力跨越式提升。这一技术已在微尺度工程、生物医学、深空探索、量子传感等领域展现出广阔的应用前景。

                          涡旋光束用于探测复杂介质。论文作者供图

论文作者团队向我们展示了如何利用携带OAM的扭曲光束在光学计量中建立新的范式。通过观察依赖于OAM和偏振的频率变化，利用现代多普勒效应的解释，实现了对三维运动粒子位置的跟踪。

“传统的多普勒效应只能追踪朝向或远离观察者的运动，但将轨道角动量引入标量光和矢量光中，能够实现各个方向的运动跟踪，包括三维螺旋运动。”郭立新教授指出。“这一进展彻底改变了动态系统的计量学。”

该论文不仅涵盖了经典的光学计量，还探讨了在量子纠缠叠加态和单光子态中应用OAM的潜力。向量子领域的过渡有望通过减少测量次数来降低噪声，从而提升准确性和精度。

本研究成果论文深入探讨了涡旋光束在光学计量学中的基本原理及其重要进展。涡旋光束以其独特的螺旋相位结构和携带OAM的特性，展现出在光学计量学中的显著优势。这些光束不仅能够实现光与物质之间的手性相互作用的高度灵敏检测，还可通过线性和旋转多普勒效应实现精确的三维运动监测。涡旋光束在探测复杂介质方面表现出色，其应用领域涵盖环境监测、深部组织成像及嘈杂信道通信等。

郭立新补充说，通过与复杂性理论及人工智能相结合，这些技术有望进一步完善和发展。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01665-1