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
在完美涡旋光束理论表达的基础上
提出了一种完美光学涡旋梳定制新方法
并借助衍射神经网络完成了实验验证
该研究实现了对涡旋梳中
不同模态环形尺寸的灵活调控
让原本“齿长不齐”的光学涡旋梳
变得更加整齐、可控
为结构光场设计与调控
提供了新的研究思路
也为光通信、精密测量等方向的
后续探索提供了参考
西安电子科技大学
14
团队研究成果登上国际光学领域期刊 Laser & Photonics Reviews 封底
什么是光的“涡旋梳”：从湖面漩涡到光的“梳子”
在日常生活中，人们熟悉的光，往往是沿直线传播、波前相对平整的普通光束。但在现代光学研究中，还存在一类具有特殊结构的光束——光学涡旋光束。
“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’”，作为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本项研究的理论设计、仿真优化与实验验证工作，他解释道：“就像平静湖面上的漩涡与普通水波并不相同，光学涡旋光束也不是普通意义上的‘直着走的光’，而是一种具有特殊相位结构的光。”这类光携带轨道角动量，且不同拓扑荷对应着不同模式，因此在通信、测量、成像、光镊操控等方向受到广泛关注。
基于这类光的特性，研究人员进一步发展出“光学涡旋梳”的概念。它是由多个不同拓扑荷的涡旋光束按一定规律叠加形成的复合光场结构，类似于光频梳在频域中由一系列规则排列的谱线组成，光学涡旋梳则对应于轨道角动量模态上的离散排列。换个更直观的说法，它就像一把由光做成的“梳子”：每一个“齿”对应一种特定的涡旋模态，许多“齿”组合在一起，就构成了一把可以被设计、被调控的“光梳子”。
西安电子科技大学光电工程学院院长、教授徐淮良介绍，光学涡旋梳之所以受到关注，一个重要原因在于它为模式复用提供了新的光场载体。除通信外，这把“光的梳子”在精密测量、微粒操控和特殊成像等方向也具有应用前景。不过，要让它真正更好地服务相关研究，首先还需要解决其生成与调控中的一个核心问题。
传统涡旋梳的“长短腿”问题：齿长不齐带来的麻烦
尽管光学涡旋梳近年来受到关注，但传统涡旋梳一直存在一个比较突出的局限：组成梳状结构的各个涡旋模态，其空间尺寸往往会随着拓扑荷变化而变化。
从光场分布上看，光学涡旋光束通常表现为中间较暗、外围较亮的环形光斑。对传统涡旋光束而言，不同拓扑荷对应的环形半径并不固定，而是随模态参数发生变化。这样一来，当多个不同拓扑荷的光束叠加形成涡旋梳时，各个“齿”的大小就难以保持一致，这把“光的梳子”也就出现了“齿长不齐”的问题。
这一问题会给后续应用带来实际影响。比如在模式复用光通信中，如果不同轨道角动量模态对应的光束尺寸不一致，那么在耦合、传输、放大和探测过程中，就需要更复杂的系统匹配与参数调节。对于一些模式分选装置而言，输入模态尺寸不统一，也会增加识别和分离的难度。换句话说，一把“齿长不齐”的梳子，虽然能看出是梳子，但真要拿去“工作”，就会暴露出不少麻烦。
“以光通信为例。在发送端，不同转速的光束需要合在一起送入通信器件。在接收端，又需要把这些光束分开，各自还原出携带的信号”，西安电子科技大学光电工程学院青年教师梁益泽解释道，“问题是，不同转速的光束在通信器件处光斑大小不同。如果接收端的探测器对准小光斑，大光斑的边缘信号就可能丢失或者串扰到其他通道。如果对准大光斑，小光斑的能量又收集不全，信号太弱无法识别。系统需要不断调整，很难稳定运行”。
不仅如此，在一些涉及光与物质相互作用的场景中，不同尺寸的光束还意味着不同的作用区域，这对部分实验和应用并不理想。也正因如此，如何在不同拓扑荷下仍然保持一致的环形尺寸，成为光学涡旋梳研究中值得进一步突破的方向。
从理论构想到实验实现：先把理想的“梳子”画出来
针对这一问题，徐淮良团队没有停留在对传统方法的局部修补上，而是从更基础的光场构建出发，走出了一条“先定义目标、再实现目标”的研究路径。与其说是在原有“梳子”上修修补补，不如说是先重新设计一把更理想的“光梳子”，再想办法把它真正做出来。
研究团队首先基于完美涡旋光束的理论表达，构建出目标完美光学涡旋梳。这里所谓“完美”，指的是各个组成模态在拓扑荷不同的情况下，仍能够保持统一的环形尺寸。也就是说，团队先从理论上给出了“理想的光梳子应该长什么样”——它的每一根“齿”可以对应不同的拓扑荷，但这些“齿”的大小能够保持一致，不再像传统涡旋梳那样长短不一。
传统型 OV 梳与完美型 OV梳的原理对比图
在完成目标光场构建后，团队引入衍射神经网络，对实现这一目标所需的相位调制结构进行反向设计。梁益泽介绍：“衍射神经网络在这项工作中承担的是实现工具的角色，它不是直接‘凭空生成’光场，而是依据预设目标，优化得到合适的双层相位掩模，使输入的高斯光在传播和调制之后输出目标完美光学涡旋梳”。换句话说，团队不是先有工具再去“试试看能做出什么”，而是先想清楚要做一把什么样的“梳子”，再让衍射神经网络去寻找实现它的方法。
整个实现系统的核心结构比较简洁，由两层纯相位掩模组成，可以理解为两张特制的光学滤镜。实验中，团队以一束高斯光为输入，通过加载训练得到的两层相位掩模，实现了目标光场的输出。这也意味着，这项工作的创新不只是引入了衍射神经网络这一手段，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一整套研究链路。
单位拓扑荷间隔完美光学涡旋梳定制实验结果
为了验证这一方法的可行性，研究团队在实验中完成了三类不同完美光学涡旋梳的构建与测试。
第一类是单位拓扑荷间隔的标准完美光学涡旋梳，所有齿大小一致，整齐排列。第二类是谱形和拓扑荷间隔可调的完美光学涡旋梳，齿与齿之间的转速差可以根据需要任意设定。第三类是复杂梳子——对完美光学涡旋梳中不同组成模态的尺寸进行差异化控制，即可根据需要对个别“齿”的尺寸进行单独设计。
从结果来看，团队的这一方法使完美光学涡旋梳的构建具备了更强的可设计性。与传统方案中光束尺寸受拓扑荷制约不同，新方法能够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，从而让这把“光的梳子”不仅齿距可调，齿形也更加可控。
从实验走向应用：为结构光调控提供新思路
完美光学涡旋梳的构建，并不是简单对已有光学涡旋梳生成方式进行局部改进，而是围绕“目标光场如何定义、如何实现”这一核心问题，提出了从理论构建到实验实现的一体化方案。
徐淮良表示，团队更关注的是如何让涡旋梳中的不同模态在保持自身拓扑荷特征的同时，具备可独立设计的空间尺寸，“这不仅关系到某一种光场的生成方式，也关系到结构光场能否在更复杂场景中实现更精细的控制”。
西安电子科技大学光电工程学院
徐淮良教授团队正在进行涡旋梳调控相关研究
从潜在应用来看，完美光学涡旋梳有望为模式复用通信、自由空间到光纤耦合、精密测量以及优化光与物质相互作用等研究提供新的参考工具。特别是在需要多个涡旋模态保持统一尺寸、或者需要对不同模态空间分布进行精细设计的场景中，这一方法有望展现出独特价值。当然，从实验室验证走向更复杂的工程系统，仍需要后续深入研究。
与此同时，这项研究也展现出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，研究人员未来有望进一步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。随着相关算法和光学器件技术的发展，这类方法有望在更多光学研究场景中发挥作用。换句话说，这把“光的梳子”不只是被做得更整齐了，也正在被赋予更多新的可能。
