海洋馆里海豚吹出的气泡、山野间蒲公英飞行时形成的气流、核弹爆炸生成的蘑菇云……这看似不相关的场景，却都蕴藏着一种神奇的涡环现象，在流体力学等多个学科被广泛研究及应用。那么，在光学领域，“光”能否实现涡环结构呢？这一问题在国际研究领域尚处于空白。
北京时间6月2日晚23时，在上海理工大学庄松林院士领衔的未来光学国际实验室里，詹其文教授带领的纳米光子学团队填补了这一空白。詹其文教授等人基于麦克斯韦方程组和光学保角变换，在国际上首次在理论上完整推导并在实验上实现了优美的光学涡环结构，这种在时空间上把“光”做出各种“结构”的操作，让团队成为“雕刻时光”的匠人。
Nature Photonics 7月封面文章
团队相关研究成果以《光学涡环》（Toroidal vortices of light）为题正式发表于国际顶级期刊《自然•光子学》（Nature Photonics）上，并被选为封面文章。期刊审稿人对此评价道：“我认为这个壮举是一个非常漂亮的结果，展示了一个复杂的三维光学奇异结构，这是从来没有演示过的，据我所知，甚至都没有人设想过。这是我们在控制光场时空间结构方面的又一突破。”
据了解，这一成果的发现为三维复杂时空光场的生成和表征提供了崭新的思路，对于环状对称电动力学、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。
光学保角变换实现时空涡管到时空涡环的映射
其实，这已经不是该团队第一次完成令国际瞩目的新突破，2020年詹其文就带领团队在《自然•光子学》（Nature Photonics）上发表研究成果“携带横向轨道角动量的时空涡旋光的可控生成”（Generation of spatiotemporal optical vortices with controllable transverse orbital angular momentum），开创了一个全新的光子轨道角动量自由度，在光学领域刮起了光子“飓风”。也是在这一成果的基础上，团队耗时两年，从理论到实验证明了光学涡环的生成方法，从而将对光的操控提高到全新的水平。
实验装置示意图
“如果把2020年发现的光子‘飓风’比作带有孔的‘珠子’，那么如今的成果，则类似于将很多光子‘飓风’串成环形的‘手镯’，就像孩子做手工一样，我们通过‘调控’光场时空间结构实现了一种前所未有的光场状态。从某种意义上来说，我们的工作体现了光场时空调控的范式改变。”詹其文科普道，他带领团队对光学涡环的传播进行了初步的研究，包括在负色散介质中的稳定传播，以及在空气中长距离传播会发生分裂等现象。
实验生成的光学涡环等光强面分布和极向时空涡旋相位
为何要在光学领域实现涡环结构？如何用常见的光学原理、基础的实验设备在国际上率先做出这样的新成果？在詹其文看来，科学探索就是不断地“开疆拓土”，比别人“多想一步”。科研工作者源源不断的基础创新成果，其他的同行或者跨学科的科研人员看到之后或许“思路大开”，将一些从来“不可能的”变成了“可能”，新的应用也应运而生，这就是努力实现从0到1基础创新的终极意义。
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论文链接
https://www.nature.com/articles/s41566-022-01013-y
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