中国学者制造“光子飓风”，打开全球光学宝库

一项光学领域的全球重大进展，在中国上海得以实现。来自美国、南非、以色列等全国各个国家的学者，这段时间都迫切希望加强与上海理工大学光电信息与计算机工程学院实验室的联系，从这个实验室里诞生的“光子飓风”新场景，就像是一把打开阿里巴巴宝库的“密钥”——拥有无穷的想象空间。

这是一个全新的光场，同时兼具时间和空间的流动性能。

它的运作原理，就像是“光子飓风”，让光子像飓风一样，能在一条横轴上不断向前移动的同时也能在时间领域中移动，生成了携带横向光子轨道角动量的超短脉冲光学波包。这一新型光波包在光子能量快速向前传输的同时，光子能流围绕一个随波包移动的横向轴旋转，从而形成光子“飓风”。

这种全新的“飓风”光场，创造性地将超快脉冲光领域和空间光场调控领域“合二为一”，首次从理论到实验展示了具有时空涡旋相位并携带光子横向轨道角动量的新型光场，开创了一个全新的光子轨道角动量自由度。

“看，这就是我们制作出来的新光场。”上理工光学实验室里，“飓风光场”的创造者、詹其文教授拿着一张黑色的卡片，在实验台上展示眼前这个“阿里巴巴的宝库”。实验桌上，摆满了各种各样的固定光学仪器，这些仪器相互作用后，一束光打下来，就能形成像飓风一样的光束。

这种光束，在光学基础科学家们眼中，就是“大宝贝”。他们可以在这样一个时空交错的新光场下，进行各种各样的研究，因为这个光场是全新的，因此基于该光场所作的叠加研究，也都是全新的。

“我一直在督促研究团队，要做研究得赶紧加快速度，紧迫感特别强烈。”中国工程院院士、光电学院院长庄松林最早感受到这种紧迫感，是在2020年2月。当时，詹其文团队关于飓风光场的研究刚刚在线刊登在世界光学顶尖期刊《自然-光子学》上，几个小时后，他就收到了以色列同行的邮件，对方在表示祝贺的同时，特别关心“飓风”光场的的具体制作过程；很快美国国家标准计量局的实验室也在论文基础上重复出了类似的新光场场并开展了进一步的研究。彼时，新冠疫情正在全球蔓延，但詹其文的这篇论文仍在全球光学圈激起了极大的波澜。“大家都有类似的设备，只要知道我们的想法和原理，全世界各国的光学实验室就都能做出飓风光场。然后，大家就可以在这个新光场条件下做不同的创新型实验。”

庄松林说，新光场的出现，就像是阿里巴巴的宝库被瞬间打开。所有光学科学家都会蜂拥而至，从宝库里找到适合自己、且容易实现的新实验、新创造，继而开创一个新的领域。这也是为什么詹其文的这项研究入选美国光学学会（OSA）评选的2020年度全球30项光学重大进展之一的重要原因——它实现了光学领域从0到1的突破。

庄松林和詹其文绝不仅仅想做那个“筑巢”的人，他们期望利用新型的调控光场解决更加适合中国国情的关键技术问题。比如，是否有可能通过空间光场的调控，在不改变光刻机原有硬件的基础上，把光刻机的最小线宽压缩50%？近期，他们将尝试自己新发明的光场放到强光下做实验，服务超快脉冲光领域，未来尝试增加光纤通讯的密度，使得一束光纤可以承载更多的信息量。

“我们要尽快把我们已有的创新想法落实。”这两天，詹其文和他的团队正在加紧进行各项实验，以期在自己发明的新光场中率先做出新的研究成果来，“现在国内实验环境有了极大的飞跃，我们能在国际舞台上大显身手。”

詹其文今年46岁，此前，他在美国生活工作了23年。

2020年，在连续参加了好几届庄松林院士主持召开的东方论坛后，他决定回国做研究。上理工的光电学院，拥有全国规模最大的光学实验平台，6000平米的超净光学实验室，光学平台400个，共10000多平米的实验环境，是詹其文眼中最大的“吸引力”，“实验平台和实验室人才，都非常充足。”

近年来，詹其文看着国内光学人才越来越丰沛，实验条件越来越好，总是心动着想要回来。“2007年时，我们组织了一个国际纳米光子学会议，总共大约120人。到了去年，已经有700多人，一个500人的群都不够拉的。”实验室和人才的双重牵引，使得詹其文在2020年时果断下决心，“是时候回来了。”

据了解，詹其文的这一发现在光通讯、光信息处理、量子光学、粒子操控、相对论空间物理等领域具有重要的潜在研究和应用价值。他的研究团队最近获得国家自然科学基金委“新型光场调控物理与应用重大研究计划”的重点项目支持，将在这一领域进一步开展系统深入研究。
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