光场甜甜圈：轨道角动量如何给“光子漩涡”续命？

本文介绍了一类名为光子环形涡旋的特殊光场结构及其传播行为。环形涡旋在自然界中广泛存在，比如烟圈、蘑菇云中的气流以及生物体内的血液流动等。这些结构虽然外形简单，但其运动演化过程却非常复杂，长期以来吸引着科学家深入研究。在光学领域，近年来也发现了类似的环形光涡旋，其中一种被称为标量光子环形涡旋，其光波在空间和时间上紧密耦合，形成一个环状的涡旋线，并携带横向轨道角动量（OAM），即光波围绕环形路径旋转的“转动惯量”。然而，这类光波包在自由空间中传播时容易扩散变形，难以保持原有结构，限制了其实际应用。

本研究通过理论模拟和实验手段，深入探讨了当环形涡旋同时携带纵向轨道角动量（即沿环形轴线方向的旋转）时，其传播行为会发生怎样的变化。研究发现，纵向OAM的引入会显著改变光涡旋的动态。在正常或反常色散介质中，这种纵向旋转带来的“漩涡流”会使环形结构变得极不稳定，导致光波分裂解体。最引人注目的是在真空中的表现：携带纵向OAM的光子环形涡旋在传播过程中，其核心的涡旋线会先暂时消失（湮灭），但随后又会重新出现并恢复成完整的环形结构。这个“重生”后的光涡旋能够克服扩散效应，在真空中稳定地长距离传播，保持其形态不变。

研究人员通过精心设计的光学实验验证了这一现象。他们利用空间光调制器等设备，先产生一种时空涡旋光管，再通过坐标变换技术将其弯曲成环形，并加载纵向的螺旋相位（即引入纵向OAM）。实验观测结果清晰地展示了光涡旋在传播一段距离后发生崩溃，而在更远处又重新形成的全过程，与计算机模拟结果高度一致。这项研究揭示了横向和纵向轨道角动量之间的相互作用如何主导光涡旋的演化，特别是发现了“消失-重建”这一新颖的拓扑转变现象。

该发现具有重要的潜在应用价值。由于“重生”后的环形涡旋具有极强的抗干扰和稳定传播能力，它可以作为一种理想的“信道”，用于在自由空间中高效、定向地传输能量和信息，例如在无线光通信、远程传感或高精度激光加工等领域发挥作用。此外，这项工作也为设计和操控新型拓扑光子结构提供了新思路，有助于推动超快光与物质相互作用等前沿领域的研究进展。值得一提的是，虽然流体力学中的涡旋环也有类似延长飞行距离的现象，但本文所揭示的特定能量流动模式和重建机制在光学系统中才得以实现和观察，凸显了结构光场的独特优势。