结构光在新维度中的自成像突破

利用环形纤芯光纤与相位掩模实现角位置光场广义自成像及其相关轨道角动量的示意图

芬兰坦佩雷大学和法国Kastler-Brossel实验室的光子学研究者们，通过实验展示了一个具有近两百年历史的光学现象——光自成像，如何应用于圆柱系统。这项研究实现了对光结构的空前控制，为先进光通信系统开辟了巨大潜力。此外，研究者们还发现了一种新型时空对偶性，为连接光学不同领域建立了强有力的类比框架。

1836年，Henry F. Talbot进行了一项开创性实验，观察到光在无任何透镜或成像光学元件的情况下，经过特定传播距离后自发重现原始图案的现象。这种自成像现象后来被命名为Talbot效应。

近期，来自坦佩雷大学实验量子光学研究组和巴黎高等师范学院Kastler Brossel实验室复杂介质光学研究组的光场调控专家展开合作，对圆柱系统中的Talbot效应的自成像现象进行了前所未有的深入研究。这项结合了基础物理发现与光通信实际应用的重要成果，已发表于《自然·光子学》期刊。

探索圆柱几何结构中的自成像效应

在环形纤芯光纤中传播的光会经历独特的自成像过程，不过这次发生在角度维度。

该研究的共同第一作者、博士研究员Matias Eriksson解释道："当光从环形纤芯的特定角位置进入光纤时，首先会沿圆柱形纤芯周向扩散，随后通过自成像过程完美重组形成原始光场。"

值得注意的是，这种角位置的自成像仅是圆柱几何中基础现象的一部分。类似的干涉效应同样存在于光的轨道角动量这一重要特性中，该特性使得光能够驱动粒子绕光轴旋转，即沿环形路径轨道运动。从本质上说，角位置与轨道角动量这对物理量具有互补性：精确确定其中一个量时，另一个量的精度就会受限。

研究团队首次在单一实验中实现了角度与轨道角动量的自成像协同控制，达成了对光场空间结构的空前调控。但研究的突破不止于此，科学家们还深入探索了其时域关联，并展示了其在光通信中的重要应用。

架起光学两大热门领域的桥梁

光学中的基本概念——时空对偶性认为，许多空间维度观察到的效应同样存在于光的时间结构中。基于这一原理，周期性光脉冲序列及其对应的频率梳(即仅包含确定且等距频率成分的光)会产生广义的自成像效应。

在本项研究中，研究者通过揭示角度/角动量与时间/频率之间的深刻联系，发现了一种新型时空对偶形式。

另一位共同第一作者Jianqi Hu博士解释道："这意味着这两个领域观察到的物理现象存在广泛关联，某一领域的技术手段可迁移应用于另一领域"。Hu博士曾任职于Kastler Brossel实验室，现任瑞士洛桑联邦理工学院研究员。

基础效应推动光通信应用

得益于对自成像效应更深刻的理论认识及其伴随的先进调控能力，研究团队还展示了该发现在光通信中的重要应用。

Eriksson 说："我们可以巧妙调控广义自成像效应，在光的轨道角动量维度实现信息编码、转换与解码，使其成为独立通信信道。"

当前研究表明，实现无损、无串扰的超高数据速率传输已具备理论可行性，这或将深刻影响未来光通信技术的发展方向。