本文通过理论分析和实验验证，探讨了自由空间中光学涡旋-反涡旋（VAV）对的结晶现象。研究发现，在适当的初始配置下，多个光学VAV集群能够在传播过程中形成稳定的晶格结构，这种现象归因于不同位置上的涡旋和反涡旋之间的平衡作用力。作者建立了一个模型来解释这一过程，该模型考虑了涡旋之间非局部的作用力，并成功预测了VAV晶格的稳定演化。实验部分通过相位光栅技术实现了预期的VAV晶格结构，并观察到了与理论预测一致的稳定传播行为。此外，通过比较不同初始配置下的VAV晶格，强调了平衡的非局部作用力对于维持VAV晶格稳定性的重要性。此项工作不仅拓展了对涡旋相互作用特性的理解，也为未来在光学通信和数据处理等领域应用VAV晶格提供了新思路。
关键要点
研究了非局部轨道轨道耦合对相位扭结的影响，导致晶格不稳定和失稳。
非线性有助于稳定晶格结构，但需要高功率密度，难以应用于实际应用中。
研究了光场中的反向电荷涡旋嵌入的VAV晶格结构，并展示了平衡轨道轨道耦合的有趣波现象。
结果表明，通过适当安排初始几何结构和工程化轨道轨道耦合可以产生稳定的VAV晶格结构。
方法可用于增强光学通信和数据处理系统的容量，并操纵多平面粒子簇。
内容介绍
光学非线性系统中的VAV结晶现象及其应用
研究人员通过实验发现，在自由空间中，多个光学VAV（即光学涡旋和反涡旋）集群可以结晶成稳定的结构，并保持其晶格结构。这种现象是由VAV之间的平衡相互作用引起的，而不需要非线性效应。这项研究可能有助于提高光通信容量和速度，并实现多粒子操纵。此外，该研究还探讨了VAV的轨道-轨道耦合，这与广泛研究的自旋-轨道耦合不同。
光场相位锁定结构的设计与演化
文章介绍了作者构建的模型和分析解，通过构建初始几何结构并工程化轨道轨道耦合来产生相锁VAV格子。该模型使用两个相互作用的涡旋和反涡旋来开始，并利用两个复数多项式函数进行形状。通过对传播距离的分析，作者发现轨道轨道耦合是传播变化的，因此对不同初始配置具有敏感性。最后，作者展示了如何设计适当的轨道轨道耦合来产生稳定的VAV晶格。
非局域轨道-轨道耦合导致的不稳定传播动力学及其实验验证
通过计算机生成的相位掩模和高斯包络来产生交互的涡旋和反涡旋，并观察它们之间的非局部轨道-轨道耦合以及结晶现象。该实验使用了线性偏振的He-Ne激光束，并通过相移光栅和聚焦透镜进行傅里叶变换，然后选择第一阶衍射光束进行测量。实验结果表明，这种VAV晶格可以保持其几何形状不变，并且在一定距离内实现稳定的传播。此外，实验还展示了不同结构的晶格对于平衡轨道-轨道耦合的影响，例如方形晶格会导致不稳定传播动力学。
图 1 稳定和不稳定VAV（涡-反涡）晶格结构的预测。
光学非线性介质中自旋轨道耦合与晶格稳定性的研究
研究人员通过实验观察了不同类型的光栅在传播过程中的稳定性和演化规律，并使用相关指标对这些光栅的结晶化程度进行了定量分析。研究结果表明，稳定的光栅结构需要满足一定的条件，包括平衡的非局部轨道轨道耦合等。同时，该研究还发现了一些有趣的物理现象，如涡旋和反涡旋的相互作用、晶体的形成与熔解等。这项研究成果对于理解光学系统的稳定性及其应用具有重要意义。
图 2 3 × 3阵列的VAV矩形晶格结晶的实验观察。
Lin, Haolin, et al. "Optical vortex-antivortex crystallization in free space." Nature Communications 15.1 (2024): 6178.
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