近日，我院光場調控與智能光子學團隊在新型軌道角動量光束的設計、調控及其在光學捕獲中的應用方面取得一系列突破性研究成果。團隊先后在國際知名期刊《Chaos, Solitons and Fractals》和《Chinese Optics Letters》上分別發(fā)表了題為" Tunable OAM interaction between phase and intensity singularities"和" Tunable autofocus and unconventional OAM through dislocation in superimposed swallowtail vortex beams"的系列文章，后者被評為Chinese Optics Letters-2025年23卷第10期封面。

傳統(tǒng)渦旋光束雖然攜帶軌道角動量，但是因相位奇點導致中心呈現(xiàn)“暗核”結構，限制了其在中心區(qū)域的粒子捕獲能力。為突破這一限制，研究團隊創(chuàng)新性地提出并實驗驗證了一種氣旋式突變渦旋光束，通過將相位渦旋疊加于氣旋式突變光束之上，實現(xiàn)了相位奇點與強度奇點之間的軌道角動量相互作用。進一步地，基于對高階光學突變行為的深入研究，團隊提出了錯位疊加燕尾渦旋光束，該光束通過將多個燕尾突變光束沿不同方向錯位疊加并引入渦旋相位，展現(xiàn)出獨特的不對稱自聚焦傳播行為。

研究發(fā)現(xiàn)，通過調節(jié)氣旋式突變渦旋光束的拓撲電荷數(shù)與疊加參數(shù)，可精確調控光束在焦點處中心亮斑的大小、強度及自聚焦距離。特別地，在滿足特定條件時，光束不僅能在中心形成明亮的捕獲光斑，還能利用旁瓣實現(xiàn)周圍粒子的協(xié)同旋轉。而錯位疊加燕尾渦旋光束在正負拓撲荷下表現(xiàn)出明顯不同的旋轉與聚焦特性，其軌道角動量分布具有不對稱性。在疊加數(shù)與拓撲荷滿足特定關系時，光束能在傳播過程中形成多個實心焦點，并保持非零軌道角動量。這些特性超越了傳統(tǒng)渦旋光束的功能限制，為光學微操控提供了更高靈活性與性能，為多目標光學操控提供了新思路。

本研究從新型光場構建、傳播機制解析與智能調控方法三個層面系統(tǒng)推進了結構光場與光學捕獲技術的發(fā)展，深化了對光場物理機制的理解，也為生物細胞操控、微納組裝、光學成像、量子信息處理等前沿應用提供了新的光子學工具與解決方案。

圖1 (a)不同拓撲電荷下光束半徑R、自動聚焦長度f_z和峰值強度I的變化；(b)每個光子的總軌道角動量。

論文作者：劉舜禹（碩士生），唐曉瑩（碩士生），劉娜娜（碩士生），梁煥朋（碩士生），張佩羽（碩士生），田璐（碩士生），洪佩龍（指導老師），任煜軒（指導老師），梁毅（通訊作者）。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.chaos.2025.116590

圖2 Chinese Optics Letters封面圖示。封面展示出光束通過空間光調制器后生成的獨特渦旋相位。

論文作者：唐曉瑩（研究生），劉娜娜（通訊作者），劉舜禹（研究生），王 楠（研究生），蔣紹周（指導老師），任煜軒（指導老師），洪佩龍（通訊作者），梁 毅（通訊作者）。

論文鏈接：https://doi.org/10.3788/COL202523.100005

工作得到了國家自然科學基金、廣西自然科學基金等項目資助。