物理系教师在拓扑光场调控与应用研究中取得重要进展
近日，汕头大学理学院物理系王强老师与南开大学涂成厚教授、南京大学王慧田教授课题组合作研究，基于一种逆向定制的方法,产生了一系列具有空间拓扑结构的纵向场分布,不同类型的拓扑结构可作为信息载体用来编码信息,最终实现基于纵向场相位拓扑结构的信息加密。该方法完全利用了纵向场这一过去完全被忽略的光学自由度,构建了新的信息载体,实现了全新的光学加密方案。相关研究成果以“Topological encryption enabled by longitudinal component of structured light field”为题，发表于高水平光学期刊Advanced Photonics（一区Top，2025影响因子18.8）2026年第一期。理学院物理系教师王强为论文第一作者，南开大学涂成厚教授与南京大学王慧田教授为共同通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省自然科学基金，汕头大学科研启动基金的支持。
研究背景：
随着科技的进步,信息交流愈加频繁,因此人们也越来越注重信息的安全性。近年来,光学加密技术因其高速性、并行性、多维度等优势得到广泛关注。典型的光学加密技术主要是利用不同的光学自由度和维度对光学信息进行加密处理,如偏振加密,轨道角动量加密等。然而,到目前为止,光场的自由度在光学加密中仍然没有得到充分利用,例如光场的纵向偏振分量(纵向场)。纵向场是光场在非傍轴条件下所产生的,其电矢量平行于光传播方向。光学纵向场的存在扩展了光场偏振空间结构的可调控维度,从而可以实现一些具有三维分布特征的特殊结构,如偏振莫比乌斯带、斯格明子等。尽管在一些研究中,研究者可以利用纵向场实现在三维空间具有任意取向的偏振,从而实现基于全矢量的偏振加密,然而,其纵向场的产生依赖于非傍轴条件,对于光场的产生和调控都具有很高的要求,这限制了其在大多数场景中的应用。而在傍轴条件下,由于光场纵向场强度远小于横向场,故纵向场通常被忽略。
研究突破：
研究团队通过重新考虑傍轴条件下的纵向场分量,将关注点放在其相位空间结构而非强度上。尽管在傍轴条件下纵向场具有微弱的强度而难以探测,但其相位的空间结构分布真实存在,并且可以通过横向场重构出来。在研究过程中,研究人员首先给定预设纵向场,通过预设纵向场计算得到横向场分布,其中横向场可在实验中产生,而实际中所获得的定制纵向场通过测量的横向场重构得到。在实验中,通过调制加载在SLM上的初始全息图,可以对这些定制的纵向场结构进行动态控制,从而产生不同类型的纵向场结构。基于此方法,研究团队产生了一系列相位空间分布存在拓扑纽结(链)的纵向场,并演示了如何利用纵向场的纽结(链)作为信息载体从而进行信息加密,由于利用了纵向场这一一直以来被忽略的自由度,其在一定程度上有助于增加信息容量。 我们的方法使得“纵向场空间结构定制调控”这一极具挑战性的任务成为可能,并将为实现具有良好稳定性和更高容量的信息编码和加密提供新的解决方案。
图：基于纵向场拓扑结构定制实现信息加密的示意图。
总结与展望：
本研究通过实验展示了在傍轴条件下可任意定制并动态调控纵向光场拓扑结构（如纽结与链环）的能力，该方法基于空间光调制器加载的全息图实现对光场的精密操控，并利用数字全息技术表征其在三维空间的演化。这一创新方案不仅能够构建纵向场中的复杂拓扑结构，还可拓展至光场所有分量，突破了传统理论在结构化光场操控中的局限。研究进一步将纵向场的拓扑纽结与链环作为信息载体应用于加密技术，显著提升了信息编码的容量与稳定性。这项工作重新发掘并利用了以往常被忽视的傍轴纵向场，为光场多维自由度调控提供了全新思路，有望在通信、传感与计算等领域实现功能更先进的下一代光子器件。同时，近期低维光子材料与器件（如高性能紫外光源、高灵敏度探测器及微结构纳米激光器）的快速发展，为在集成系统中部署此类复杂结构化光场奠定了技术基础。本研究从基础光场调控层面推动了光子学工具的扩展，为未来光电技术的创新应用奠定了重要基础。
论文链接：http://doi.org/10.1117/1.AP.8.1.016003
论文链接：https://www.researching.cn/articles/OJe8c349c69f8dcd98
图文：王强
