光的时空扭转：操控光之涡旋

最近发表在《物理评论 X》杂志上一篇论文展示了一种新的方法，可以用一种叫做时空光学涡旋的光脉冲来控制光的轨道角动量。这种方法不同于以前的方法，它不需要用任何静止或缓变的折射率结构，比如相位板或空气湍流，来转移光的轨道角动量。这种方法可以在时空上给光施加一个扭矩，从而改变光的轨道角动量。这听起来很神奇，让我们来看看他们是怎么做到的。

什么是光的轨道角动量

首先，我们要了解什么是光的轨道角动量。我们都知道，光是一种电磁波，它有振幅、频率、波长、相位、偏振等性质。但是，光还有另一种性质，就是角动量。角动量是一个物理量，它表示一个物体绕着某个轴旋转的程度。比如，地球绕着太阳旋转，就有一个角动量，我们叫它轨道角动量，因为它和物体的轨道有关。同样，光也可以绕着它的传播方向旋转，就有一个轨道角动量，我们叫它光的轨道角动量。

光的轨道角动量和光的相位有关。如果光的相位在空间上是均匀变化的，那么光的轨道角动量就是零。但是，如果光的相位在空间上是不均匀变化的，那么光的轨道角动量就不是零。比如，如果光的相位沿着一个圆形的轨迹变化，那么光就有一个沿着圆心的轨道角动量，我们叫它光的涡旋角动量，或者光的拓扑电荷。这种光叫做光学涡旋，它的波前是螺旋形的，就像一个螺丝钉一样。

光学涡旋的轨道角动量的大小和方向取决于光的拓扑电荷的大小和符号。拓扑电荷是一个整数，它表示光的相位在一个圆形轨迹上变化了多少个 2π。如果拓扑电荷是正的，那么光的轨道角动量就和光的传播方向一致；如果拓扑电荷是负的，那么光的轨道角动量就和光的传播方向相反。

光的轨道角动量是一个很有用的物理量，它可以用来操纵物质，比如旋转微粒，产生光学推力，制造光学陷阱，传输信息等等。但是，要给光施加轨道角动量，通常需要用一些特殊的装置，比如相位板，液晶屏，空气湍流等等。这些装置都是静止或缓变的，它们只能给光施加一个固定的轨道角动量，而不能随时间改变。这就限制了光的轨道角动量的应用范围。那么，有没有一种方法，可以在时空上给光施加一个可控的轨道角动量呢？答案是有的，这就是这篇论文要介绍的方法，叫做光的时空扭转。

什么是光的时空扭转

光的时空扭转，顾名思义就是在时空上给光施加一个扭矩，从而改变光的轨道角动量。这种方法不需要用任何静止或缓变的折射率结构，而是用一种特殊的光脉冲，叫做时空光学涡旋。这种光脉冲是一种非线性光学现象，它是由一个强激光脉冲在一个透明介质中传播时产生的。这个强激光脉冲会在介质中产生一个快速变化的相位扰动，这个相位扰动会和激光脉冲在时空上重叠，从而给激光脉冲施加一个轨道角动量。

这个轨道角动量是沿着激光脉冲的传播方向垂直的，我们叫它横向轨道角动量，或者横向涡旋角动量。这种横向轨道角动量和以前的纵向轨道角动量是不一样的，它不是由光的相位沿着一个圆形轨迹变化产生的，而是由光的相位沿着一个螺旋形轨迹变化产生的。这种螺旋形轨迹是由激光脉冲的传播方向和相位扰动的传播方向共同决定的。这就是为什么这种光脉冲叫做时空光学涡旋，因为它的波前是在时空上螺旋形的，就像一个螺旋管一样。

时空光学涡旋的横向轨道角动量的大小和方向取决于相位扰动的速度和方向。如果相位扰动的速度和激光脉冲的速度一样，那么时空光学涡旋的横向轨道角动量就是零。如果相位扰动的速度比激光脉冲的速度快，那么时空光学涡旋的横向轨道角动量就和激光脉冲的方向一致；如果相位扰动的速度比激光脉冲的速度慢，那么时空光学涡旋的横向轨道角动量就和激光脉冲的方向相反。相位扰动的速度可以通过改变介质的密度或温度来调节，从而实现对时空光学涡旋的横向轨道角动量的控制。这种控制是在时空上的，也就是说，可以随着激光脉冲的传播而改变，从而实现对光的轨道角动量的动态调节。这就是光的时空扭转的原理。

光的时空扭转的实验

那么，这种光的时空扭转是怎么实验验证的呢？这篇论文的作者用了一个非常巧妙的方法，就是用一个叫做光学角动量谱仪的装置来测量时空光学涡旋的横向轨道角动量。这个装置的原理是利用一个叫做分数阶傅里叶变换的数学操作，来将光的轨道角动量分解成不同的模式，然后用一个探测器来记录每个模式的强度。这样，就可以得到光的轨道角动量的谱，也就是光的轨道角动量的分布情况。

作者用一个强的红外激光脉冲作为泵浦光，通过一个气体管，产生一个时空光学涡旋。然后，用一个弱的可见光脉冲作为探测光，和时空光学涡旋共线传播，通过一个光学角动量谱仪，测量探测光的轨道角动量的谱。作者发现，当气体管的压力变化时，探测光的轨道角动量的谱也随之变化，表明时空光学涡旋的横向轨道角动量也随之变化。这就证明了光的时空扭转的现象。

作者还发现，当气体管的压力增加时，时空光学涡旋的横向轨道角动量的绝对值也增加，但是符号取决于气体管的长度。如果气体管的长度是奇数倍的半波长，那么时空光学涡旋的横向轨道角动量的符号和泵浦光的方向一致；如果气体管的长度是偶数倍的半波长，那么时空光学涡旋的横向轨道角动量的符号和泵浦光的方向相反。这就说明了时空光学涡旋的横向轨道角动量的方向是由相位扰动的速度和方向决定的。