西电攻克完美光学涡旋梳关键难题 赋能先进光通信与精密测量

近日，西安电子科技大学光电工程学院超快光子学团队联合浙江工商大学、吉林大学等单位，围绕完美光学涡旋梳的构建与实现开展研究。团队基于完美涡旋光束的理论表达，提出了一种定制完美光学涡旋梳的新方法，并借助衍射神经网络完成了实验验证，实现了对涡旋梳中不同模态环形尺寸的灵活调控。

相关研究成果已发表于国际光学领域权威期刊《Laser & Photonics Reviews》封底，为结构光场的设计与调控提供了新思路，也为光通信、精密测量等领域的后续探索提供了参考。

“光学涡旋光束可以形象地理解为‘带着旋转结构向前传播的光’。”论文首位共同第一作者、西安电子科技大学光电工程学院2022级本科生曹帅全程参与了理论设计、仿真优化与实验验证。他解释道，如同湖面漩涡与普通水波不同，光学涡旋光束具有特殊相位结构，携带轨道角动量，不同拓扑荷对应不同模式，因此在通信、测量、成像、光镊操控等领域受到广泛关注。

基于这一特性，研究人员提出了“光学涡旋梳”概念，它由多个不同拓扑荷的涡旋光束按规律叠加形成，类似一把光做的“梳子”，每个“齿”对应一种涡旋模态。西安电子科技大学光电工程学院院长、论文通讯作者徐淮良教授表示，光学涡旋梳为模式复用提供了新载体，在通信、精密测量、微粒操控和特殊成像等方面具有应用前景。但传统涡旋梳存在“齿长不齐”的技术瓶颈，制约了实际应用。

针对这一问题，西电研究团队从光场构建的基础逻辑出发，走出了一条“先定义目标、再实现目标”的研究路径。团队首先基于完美涡旋光束的理论表达构建目标完美光学涡旋梳，随后引入衍射神经网络，反向设计所需的相位调制结构。青年教师梁益泽补充说，衍射神经网络承担实现工具角色，依据预设目标优化得到双层相位掩模，使输入的高斯光经传播和调制后输出目标完美光学涡旋梳。该工作的创新不仅在于引入衍射神经网络，更在于建立了从理论构型、目标光场设计到物理实现和实验验证的完整研究链路。

实验中，团队完成了三类不同完美光学涡旋梳的构建与测试，结果表明该方法使完美光学涡旋梳的构建具备更强可设计性。与传统方案中光束尺寸受拓扑荷制约不同，新方法可在设定拓扑荷分布的同时，对不同模态的环尺寸进行独立调控，使“光的梳子”齿距可调、齿形更可控。

徐淮良教授指出，本次研究并非简单改进现有生成方式，而是围绕“目标光场如何定义、如何实现”这一核心问题，提出从理论构建到实验实现的一体化方案。完美光学涡旋梳有望为模式复用通信、精密测量及优化光与物质相互作用等研究提供新工具，尤其在需要多个涡旋模态保持统一尺寸或精细设计空间分布的场景中展现独特价值。

此外，研究还展示了衍射神经网络在复杂光场设计中的应用潜力。通过先构建目标光场再反向求解实现路径，研究人员未来可探索更多具有特定空间分布、偏振特性或功能特征的结构光场。随着算法和光学器件技术的发展，这把“光的梳子”不仅更整齐，还将在更多光学研究场景中发挥作用。