研究涡旋动态有新发现！啥是PPVPBs？它有啥特别？

*本文只做阅读笔记分享*

一、研究背景与目的

1.1 涡旋的广泛存在

嘿，大家好！在大自然里，从小小的水涡，到超厉害的大气台风、飓风，还有那浩瀚宇宙中的螺旋星系，都有涡旋的身影。

在光的世界里，也有光学涡旋，它中间有个黑黑的核心，这里相位不确定，光的幅度还消失了呢。光学涡旋用处可大啦，像光学微操纵、光通信、量子信息这些领域都有它的功劳。

1.2 研究目的

当光场里有好多涡旋时，它们之间会相互作用，出现像涡旋结、涡旋碰撞这些有趣的现象。以前大家研究的涡旋对光束（VPB），大多是基于复杂幅度调制的模型。

这次呢，我们要研究由两个纯相位涡旋组成的纯相位涡旋对光束（PPVPBs），看看这里面的涡旋会有啥独特的动态变化。

二、PPVPBs的特性

2.1 与CAVPBs的区别

以前研究的复杂幅度涡旋对光束（CAVPBs），涡旋会有幅度调制。但PPVPBs不一样哦，它的涡旋是纯相位的，没有幅度调制。

从模式纯度和轨道角动量（OAM）光谱来看，它们俩差别可大啦。比如，当两个涡旋拓扑电荷相同时，PPVPBs的OAM光谱是由无限个偶数OAM模式组成，而CAVPBs只有有限个偶数OAM模式。

2.2 光场演化特点

用矩阵光学理论能预测PPVPBs在自由空间或光学系统里光场的变化。PPVPBs的强度分布会让光场出现波纹，就像两颗小石子掉进水里产生的涟漪一样，这说明涡旋之间在相互作用呢。而CAVPBs在传播时，强度分布就比较稳定，没有这种波纹。

三、实验设置

为了研究PPVPBs里涡旋的动态变化，我们做了个实验。用一个只改变相位的空间光调制器（SLM）来产生PPVPBs。

实验装置可复杂啦，有He-Ne激光器、半波片、偏振分束器、扩束器，还有各种镜子和透镜。最后用相机拍下PPVPBs和参考光束的干涉图案，再通过算法确定涡旋的位置。

四、自由空间中涡旋的动态

4.1 涡旋轨迹

当两个涡旋拓扑电荷都为1时，它们会各自旋转，还慢慢互相远离，轨迹关于原点中心对称。

当两个涡旋拓扑电荷相反，一个是1，一个是-1时，它们也会旋转，不过轨迹是关于y轴对称的。而且呀，PPVPBs里每个涡旋的轨迹在自由空间里都是螺旋状的，就像在跳舞一样。

4.2 涡旋间距振荡

PPVPBs里涡旋之间的距离还会振荡变化呢。相对离轴距离（uˉ0）对这个振荡影响很大，uˉ0越大，涡旋能振荡的传播距离就越长。要是uˉ0小于某个值，带相反拓扑电荷的涡旋传播一段距离后还会相互抵消呢。

4.3 高阶涡旋的变化

对于高阶拓扑电荷的PPVPBs，像m1=m2=2时，两个带+2拓扑电荷的涡旋在传播过程中会分裂成四个带+1拓扑电荷的涡旋，它们相互缠绕，还会产生新的涡旋对，一会儿缠绕，一会儿产生，一会儿又抵消，可热闹啦。

五、聚焦系统中涡旋的动态

大家知道，远场区域的光场和2-f透镜系统后焦平面的光场很像。

在这个聚焦系统里研究PPVPBs涡旋的抵消过程更方便。当两个涡旋拓扑电荷相反时，相对离轴距离（uˉ0）不同，涡旋的演化也不一样。uˉ0比较大时，涡旋能在焦平面振荡但不抵消；uˉ0小到一定程度，涡旋就会在焦平面或之前的位置抵消。

而且，PPVPBs里涡旋抵消的临界uˉ0值比CAVPBs小很多，这说明PPVPBs里涡旋的动态特性更厉害，就像两个台风相互作用延长了台风寿命一样。

六、研究总结与意义

我们的研究发现了PPVPBs在自由空间和聚焦系统里的动态行为。单位涡旋的PPVPBs，涡旋轨迹是螺旋状的，涡旋间距还会振荡。高阶涡旋的PPVPBs，传播时会分裂成多个单位涡旋，有很多复杂的相互作用。这些结果让我们对涡旋相互作用有了更深的了解，以后在光学微操纵和光涡旋信息传输这些方面，说不定能有新的应用呢。

七、一起来做做题吧

参考文献：

Dadong Liu et al. Observation of vortex-pair dance and oscillation. Sci. Adv.11, eadn9279(2025).