北理工課題組在光學(xué)拓?fù)淙⒑痛鎯?chǔ)研究方面取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2023-05-05 供稿：物理學(xué)院 攝影：物理學(xué)院
編輯：王莉蓉 審核：陳珂 閱讀次數(shù)：
近日，北京理工大學(xué)物理學(xué)院張向東教授課題組基于光學(xué)紐結(jié)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了拓?fù)淙⑴c存儲(chǔ),。相關(guān)成果以“Topological holography and storage with optical knots and links”為題發(fā)表在Laser & Photonics Reviews 期刊[Laser Photonics Rev. 2023, 2300005]上。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委的大力支持,。北京理工大學(xué)物理學(xué)院孔令軍研究員、張景風(fēng)博士生為該論文的共同第一作者,，北京理工大學(xué)物理學(xué)院孔令軍研究員,、張向東教授為論文共同通訊作者，北京理工大學(xué)物理學(xué)院張福榮博士生也為該工作做出了重要貢獻(xiàn),。
全息的概念是Gabor于1948年提出,。隨著激光器的發(fā)明和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，全息技術(shù)已成為現(xiàn)代光學(xué)的重要工具,，在三維顯示器,、顯微成像、光學(xué)加密,、信息存儲(chǔ)等諸多方面有著廣泛的應(yīng)用,。截至目前，光的各種自由度,，包括偏振,、波長、時(shí)間,、軌道角動(dòng)量等，已作為獨(dú)立的信息攜帶通道被用于高容量的全息系統(tǒng)中,。事實(shí)上,，對(duì)于不同全息技術(shù)的各種應(yīng)用，保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力是至關(guān)重要的,。然而,，目前依然沒有一種有效的方法可以被用于實(shí)現(xiàn)具有穩(wěn)定性和抗干擾能力的光學(xué)全息系統(tǒng)。
另一方面,，由于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有獨(dú)特的拓?fù)浞€(wěn)定性,，近年來，相關(guān)研究引起了極大的關(guān)注,。紐結(jié)結(jié)構(gòu)是典型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),，其研究的是一個(gè)或若干個(gè)閉合曲線在三維歐幾里得空間中的嵌入方式,。在拓?fù)鋵W(xué)中，扭結(jié)的拓?fù)涮匦钥梢杂猛負(fù)洳蛔兞縼砻枋?。如果兩個(gè)扭結(jié)可以通過閉合曲線的連續(xù)形變互相轉(zhuǎn)化,，那么這兩個(gè)扭結(jié)就是拓?fù)涞葍r(jià)的。換言之,，即使紐結(jié)結(jié)構(gòu)因可能存在的外部擾動(dòng)而存在一定的形變,，其拓?fù)洳蛔兞恳廊豢梢员３植蛔儭Ｄ壳?，研究人員已在等離子體,、量子與經(jīng)典流體、量子與經(jīng)典場論,、液晶,、聲波、結(jié)構(gòu)光場等多種體系中實(shí)現(xiàn)了不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的紐結(jié),。一個(gè)自然的問題：能否將拓?fù)渑そY(jié)結(jié)構(gòu)引入全息中,，以提高全息系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力？
研究亮點(diǎn)之一：光學(xué)拓?fù)淙⒌膶?shí)現(xiàn)
2019年,，Ren等人,，將軌道角動(dòng)量自由度引入到全息技術(shù)中，通過生成空間陣列分布的軌道角動(dòng)量態(tài)和基于軌道角動(dòng)量態(tài)的強(qiáng)選擇方法,，實(shí)現(xiàn)了軌道角動(dòng)量全息[Nat. Commun. 10, 2986 (2019); Nat. Photon. 14, 102 (2020)],。類似的，在本研究中,，研究人員將拓?fù)浼~結(jié)結(jié)構(gòu)作為一種全新的三維自由度引入到全息技術(shù)中,，通過生成三維空間陣列分布的拓?fù)浼~結(jié)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了光拓?fù)淙?，方案示意圖如圖1所示,。首先設(shè)計(jì)能夠生成三維光學(xué)拓?fù)浼~結(jié)結(jié)構(gòu)的全息圖（PCA）；然后設(shè)計(jì)不同的平移光柵（PMG）,，使得同一個(gè)三維紐結(jié)結(jié)構(gòu)可以投影在不同的空間位置,；最后，由所有的PCA和PMG集成而得到的一個(gè)全息圖（Hologram of topological holography）即可用于生成一個(gè)三維紐結(jié)結(jié)構(gòu)陣列,。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)光學(xué)拓?fù)淙?。圖1(b, c, d)為理論結(jié)果，圖1(e, f, g)為實(shí)驗(yàn)結(jié)果,。
在上述拓?fù)淙⒅?，陣列是由一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成。也就是說，使用一種PCA來構(gòu)建全息圖,。事實(shí)上,，還可以使用多種PCA（對(duì)應(yīng)于不同的紐結(jié)結(jié)構(gòu)），來構(gòu)建全息圖,。在這種情況下,，可以將不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)投影到不同位置。因此,，也可以實(shí)現(xiàn)由不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成的拓?fù)淙?，如圖2所示。理論結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果中對(duì)應(yīng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的拓?fù)洳蛔兞浚ㄈ鏻inking number, Alexander多項(xiàng)式等）保持一致,。理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，基于不同的三維紐結(jié)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)拓?fù)淙⒌姆桨甘强尚械?。非常有趣的是,，?dāng)把每個(gè)紐結(jié)結(jié)構(gòu)視為信息載體，這種基于不同紐結(jié)結(jié)構(gòu)的拓?fù)淙⒖梢杂糜诮⒁环N新的編碼方案,。
圖1. 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)全息,。
圖2. 基于多種紐結(jié)結(jié)構(gòu)的拓?fù)淙ⅰ?a)為理論結(jié)果，(b)為實(shí)驗(yàn)結(jié)果,。
研究亮點(diǎn)之二：拓?fù)淙⒕幋a
為了證明拓?fù)淙⒕幋a方案的可行性,，研究人員選擇了十種紐結(jié)結(jié)構(gòu)來編碼0到9這十個(gè)數(shù)字，如圖3a所示,。然后,，使用從01到26等兩位數(shù)字分別表示從A到Z的字母。為了更加具體地描述編碼方案,，圖3b展示了一個(gè)實(shí)例,。這里，目標(biāo)信息是“Where is my key”,。先將字母信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字組合“23 08 05 18 05 09 19 13 25 11 05 25,；”再根據(jù)圖3a將數(shù)字組合轉(zhuǎn)換為紐結(jié)結(jié)構(gòu)的組合?；趫D1a所示過程,，Alice（信息發(fā)送者）構(gòu)建拓?fù)淙D，用于制備相應(yīng)的紐結(jié)結(jié)構(gòu)陣列,。然后，Alice將全息圖發(fā)送給信息的接收者Bob,。Bob通過拓?fù)淙⒅貥?gòu)出實(shí)驗(yàn)結(jié)果,，獲得每個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的拓?fù)洳蛔兞浚R(shí)別拓?fù)浼~結(jié)結(jié)構(gòu)的類型，并將其轉(zhuǎn)換為字母,；最后,，Bob獲得Alice想要發(fā)送的消息“Where is my key?！?/p>
圖3. 拓?fù)淙⒕幋a,。
研究亮點(diǎn)之三：拓?fù)淙⑿畔⒋鎯?chǔ)
將拓?fù)淙⒅邪男畔⒋鎯?chǔ)到記錄介質(zhì)中，可以實(shí)現(xiàn)三維拓?fù)淙⒌男畔⒋鎯?chǔ),。研究人員選用液晶（LC）作為記錄介質(zhì),。LC是一種典型的雙折射材料，可用于引入Pancharatnam-Berry（PB）相位,。引入的PB相位（φ）和LC的快軸方位角（θ）之間的關(guān)系為φ = 2θ,。因此，拓?fù)淙D的相位分布可以通過控制液晶分子的快軸方向來實(shí)現(xiàn),，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)拓?fù)淙⒌男畔⒋鎯?chǔ),。圖4展示了一個(gè)實(shí)例，證明了拓?fù)淙⑿畔⒋鎯?chǔ)方案的可行性,。首先將由字母組成的目標(biāo)消息“It is in the bag”轉(zhuǎn)換為紐結(jié)結(jié)構(gòu)組合“
,，
，
,，
,，
，
,，
,，
，,，
,，
，
,，
,，，,，
,，，
,，,，
，,，,，,，
?！比缓?，構(gòu)建拓?fù)淙D，并將其寫入LC樣品中,，即實(shí)現(xiàn)了信息的存儲(chǔ)過程（如圖4a所示）,。在信息讀取過程中，首先測量LC樣品后面衍射光場的強(qiáng)度分布,，重建實(shí)驗(yàn)結(jié)果（如圖4b所示）,；再計(jì)算每個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的拓?fù)洳蛔兞浚R(shí)別拓?fù)浼~結(jié)結(jié)構(gòu)類型,；最后,，將其轉(zhuǎn)換為字母組合即可提取存儲(chǔ)在樣品中的信息“It is in the bag”（圖4c）。
圖4. 基于拓?fù)淙⒌男畔⒋鎯?chǔ),。
該研究團(tuán)隊(duì)通過將三維光學(xué)拓?fù)浼~結(jié)結(jié)構(gòu)引入全息技術(shù)中,，實(shí)現(xiàn)了拓?fù)淙ⅰ２粌H發(fā)展了光學(xué)拓?fù)淙⒌睦碚?，而且?shí)驗(yàn)證實(shí)了理論的可行性,。并將拓?fù)浼~結(jié)結(jié)構(gòu)視為一種全新的三維自由度，作為信息的載體,，建立了新的拓?fù)淙⒕幋a和存儲(chǔ)方案,。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)獨(dú)特的拓?fù)浞€(wěn)定性——紐結(jié)結(jié)構(gòu)在存在外部擾動(dòng)而發(fā)生一定的形變的情況下，其拓?fù)洳蛔兞咳员３植蛔儭兄谔岣呷⒓夹g(shù)的抗干擾能力,。另一方面,，相比于之前的基于拓?fù)浼~結(jié)結(jié)構(gòu)的編碼方案[Nat. Commun. 11, 5119 (2020); Nat. Commun. 13, 2705 (2022)]，由于拓?fù)淙⒕幋a方案中所使用的紐結(jié)結(jié)構(gòu)有了數(shù)量級(jí)的提升,，故該方案有著更高的信息容量,。因此，該研究實(shí)現(xiàn)了同時(shí)具有高穩(wěn)定性和高通訊容量的拓?fù)淙⒕幋a,。雖然目前該研究的相關(guān)結(jié)果是基于光學(xué)系統(tǒng)獲得的,，但該方法可以拓展到聲波、x射線,、電子系統(tǒng)等領(lǐng)域,。因此，該研究成果是全息和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域的重要進(jìn)展,，為信息編碼和存儲(chǔ)開辟了新途徑,。
論文鏈接：https://doi.org/10.1002/lpor.202300005
分享到：