2026年，日本大阪大学研究团队在一束激光中成功生成3070个光学涡旋，峰值功率达到58兆瓦，将光学涡旋阵列的规模和功率提升了三个数量级。这项发表于《Light: Science & Applications》的研究成果，标志着基于轨道角动量的新型激光技术从实验室走向实用化的关键里程碑。

一、技术突破：从”旋转”到”扭曲”的跨越

1.1 什么是光学涡旋？

光学涡旋是光场中一种特殊的结构——光波的相位围绕一个中心点形成螺旋式前进，就像水流中的漩涡。不同的是，水流漩涡中流动的是水分子，而光学涡旋中”流动”的是光的相位。

这个漩涡的中心是一个奇特的暗点，光强为零，被称为“光学奇点”。在这里，相位无法定义，类似于站在地球南极点无法指明”东方”一样。

1.2 两种”拧”法的本质区别

光的”旋转”特性对应的是自旋角动量，即光的偏振，这是光子的内禀属性，只有有限的几种状态（线偏振、左旋圆偏振、右旋圆偏振）。

而轨道角动量则是完全不同的物理概念。它描述的是光波前在空间中以螺旋方式前进的”姿势”或”路径”。关键在于，轨道角动量的状态数（拓扑电荷）可以是任意整数——从0、±1、±2到±100甚至更多。

这意味着，一束携带轨道角动量的涡旋光，理论上可以拥有无限个独立的模式。

1.3 58兆瓦×3070涡旋：规模与功率的双重飞跃

大阪大学Yoshiki Nakata教授团队通过创新的衍射光学元件和干涉系统，直接从物理上实现了大规模、高功率的涡旋光生成：

• 峰值功率：58兆瓦（1兆瓦=100万瓦）
• 涡旋数量：3070个光学漩涡同时生成
• 性能提升：规模和功率均提升三个数量级

这一成果将光学涡旋技术从”精巧的实验室演示”推进到”能够承受极高功率的实用化阶段”。

二、技术原理：涡旋光的神奇特性

2.1 涡旋光的外观特征

一束完美的圆偏振光，其光斑是均匀明亮的。而一束携带轨道角动量的涡旋光，其光斑呈现为一个明亮的环，中心则是那个必然存在的暗斑（光学奇点）。

2.2 轨道角动量的独特优势

特性	自旋角动量（偏振）	轨道角动量
状态数量	有限（2-3种）	无限（任意整数）
维度	二维	多维
应用模式	基础通信	复用通信
信息承载	有限	理论上无限

这意味着，在光通信中，我们可以像开辟”隐形车道”一样，利用不同”拧”法的光同时传输无数路信号，将通信容量提升数个数量级。

三、应用前景：开启多个领域的革命

3.1 光通信领域

• 容量突破：利用不同拓扑电荷值的涡旋光实现空分复用
• 传输效率：单根光纤可承载TB级数据
• 6G/7G通信：为未来超高速通信奠定基础

3.2 光镊技术

当涡旋光照射到微小颗粒（如生物细胞）时，可以传递轨道角动量，使颗粒发生旋转。58兆瓦级涡旋阵列的实现，将”光镊”技术推向更高功率、更高精度的实用化水平。

3.3 量子信息

• 量子态操控：利用轨道角动量的多维特性编码信息
• 量子通信：高维量子态传输
• 量子计算：新型量子比特实现方式

3.4 高分辨率成像

涡旋光与物质相互作用时产生的独特效应，可用于突破传统光学衍射极限的显微成像。

四、行业影响：激光技术的新方向

4.1 对激光器技术的推动

这项突破推动了激光器技术的发展方向：

1. 高功率激光器：证明高功率涡旋光可以稳定存在
2. 光束整形：衍射光学元件和干涉系统成为关键技术
3. 模式控制：多模式激光输出技术受到关注

4.2 对光学元件的新的要求

• 衍射光学元件：需要能够处理兆瓦级功率
• 干涉系统：高稳定性、低损耗设计
• 材料科学：耐高功率光学材料研发

4.3 中国企业的机遇

作为全球最大的激光设备市场，中国企业在以下领域具有发展机遇：

1. 衍射光学元件国产化
2. 高功率涡旋激光器研发
3. 轨道角动量通信技术预研

五、技术挑战与展望

5.1 当前挑战

• 大气湍流干扰：复杂结构光在大气中传输时容易受到干扰
• 器件损耗：高功率下的光学元件损伤问题
• 系统集成：复杂光学系统的稳定性和可靠性

5.2 未来展望

大阪大学的实验已经证明，即使在兆瓦级的强大能量下，精密的”漩涡”结构依然能够保持稳定。这为以下领域的发展打开了大门：

• 超高速通信（6G/7G）
• 极限精密操控（光镊、微纳加工）
• 全新物理现象探索

结语

“关键不仅在于重新审视理论，还在于将其转化为具体的光学架构。”——Yoshiki Nakata教授

这束被科学家”拧”出来的扭曲之光，正在为我们打开一扇通往超高速通信、极限精密操控和全新物理现象的大门。光的工具箱里，从此多了一件形状奇特、潜力无限的强大工具。

对于激光行业而言，轨道角动量技术的实用化将催生全新的产品类别和应用市场。从高功率涡旋激光器到衍射光学元件，从光通信设备到量子信息处理系统，一个崭新的技术蓝海正在徐徐展开。

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来源：今日头条 | 查看原文