近日，上海理工大学庄松林院士领衔的未来光学国际实验室由詹其文教授带领的纳米光子学团队基于麦克斯韦方程组和光学保角变换，首次在光学领域实现了优美的涡环结构。
涡环是流体中一种可长距离传播的环状对称结构，比如海豚吹出的气泡涡环、蒲公英飞行时上方的气流涡环、核弹爆炸后生成的蘑菇云。自从1867年英国数学家物理学家开尔文勋爵提出原子的涡环假说，涡环在多个学科的研究中得到广泛关注，如气象学中的微爆气流、心脏病学中的血液流动等。涡环具有环状的涡线，物质围绕涡线旋转，涡环整体沿垂直于环面的方向运动。尽管涡环的研究已出现在多个学科尤其是流体力学，但是其他物理场中的运动涡环结构（如：光学涡环）还从未被报道。
该研究工作从柱坐标系下的麦克斯韦方程组出发，推导出光学涡环是负色散介质中麦克斯韦方程组的近似解。光学涡环是具有中空环状光强分布的波包，环形涡线的周围围绕着时空涡旋相位，波包传播方向与环面垂直方向一致。基于对数极坐标到直角坐标的光学保角映射，该工作从理论到实验证明了光学涡环的生成方法，相关研究成果以“Toroidal vortices of light”为题发表于国际顶级期刊《自然·光子学》。
光学涡环的理论研究给出了麦克斯韦方程组时空光场全新的近似解，而基于光学变换的理论和实验方法，为三维复杂时空光场的生成和表征提供了崭新的思路。光学涡环的诞生对环状对称电动力学、环状对称等离子物理、光学对称和拓扑、量子物理、天体物理等理论研究，以及光学传感、光操纵、光信息与能量传递等应用研究都将具有重要且深远的意义。研究工作得到国家自然科学基金委“新型光场调控物理及应用重大研究计划”重点项目(NSFC92050202)的资助。
