将激光发出的光打成稳定的 “光结”

湍流对光结的影响。 图片来源：《自然-通讯》（2025 年） DOI: 10.1038/s41467-025-57827-1

一般认为，结的形成是由于长而柔韧的材料的曲折造成的，这些材料会让鞋子穿不上脚，或者让你挂节日装饰品的努力受挫。 一束光听起来不像是能形成结的材料。

但它确实是。

想象一下，将几块石头同时扔进池塘。 在水面的某一点，产生的波纹环会混合在一起，形成一个复杂的图案。 现在想象一下，你可以控制每个波纹环的形状和速度。 只要有足够的规划，就能让网点按需形成复杂的三维形状。

在过去的几年里，研究人员基本上一直在用光做这件事。 通过将几束具有特定性质的激光重叠在一起，并引导它们通过一系列透镜，干涉模式可以形成一个静止的 "光结"，在空间的某一点看起来就像一个复杂的烟圈网。

现在，杜克大学的工程师们展示了一种全息条带，它能将一束激光分成五束定制的光束，从而形成一个光结。 这项研究成果发表在《自然-通讯》和《光子学研究》上的一系列论文中，表明光结可以作为一种可靠的方法来传输编码信息或测量空气中的湍流。

研究小组能够证明，嵌入这些光结中的信息能够在组成激光穿过湍流空气时存活下来，但并不像科学家最初认为的那样容易。

拟议的光结整形方法示意图。 资料来源：Photonics Research (2024)。 DOI: 10.1364/PRJ.533264

"杜克大学电气与计算机工程系教授纳塔利娅-利奇尼泽说："人们认为，由于这些形状在数学上是稳定的物体，因此它们应该能够在复杂的环境中传输，而不会出现任何问题。 "事实证明，它们并不能保证稳定，但我们可以让它们更加稳定。

为了取得这一成果，研究人员不得不使用一个小型对流烤箱。 虽然利用光纤设备可以模拟激光穿过湍流，但研究小组希望在长距离上复制真实的激光。 但是，他们在南非的合作者有一个横跨两栋独立建筑的装置，而杜克大学的团队只能使用一张餐厅大小的桌子。

"我们使用了一个烤面包机大小的小型装置，底部装有一个热板和风扇，以产生空气湍流，"在 Litchinitser 实验室工作的博士后科学家 Danilo Gomes Pires 解释说。 "然后，我们缩小光束，并将其从几面镜子上反弹下来，模拟光束在近 1000 英尺的高空飞行。

如果激光束在行进过程中没有受到干扰，那么产生的绳结应该看起来像一根连续流动的绳子，有三个环。 但研究人员却发现，随着湍流的加剧，绳结更有可能演变成两个相互连接的环，甚至是一个环，从而丢失其中包含的任何信息。

但他们也发现，这种退化并非不可避免，他们可以让绳结稳定更长时间。 通过在其原本平滑的特征上添加更多的斜线，他们创造出了更多的参考点来测量给定平面内的情况，就像建造了一个复杂的曲折滑水道，而不是一个简单的蜿蜒滑道。 [结尾处的图片有助于说明］

虽然打光结技术仍处于起步阶段--大约二十年前才被发现--但它有几种潜在的应用。 可以将信息编码到它们的形状中，然后进行远距离传输。

测量光结在移动过程中的破坏程度，还可以找到测量光结所经过的湍流程度的方法。 研究人员还认为，由此产生的错综复杂的结可以用来捕获和操纵三维空间中的微小颗粒。

"Litchinitser说："在我们真正将光学结用于任何应用之前，我们必须真正研究它们，了解它们的行为方式。 "我们的研究首次展示了光学结在真实湍流中的传播，因此我们可以在此基础上采取下一步行动，扩大规模，继续探索这些光学结在自由空间中的工作原理。

More information: D. G. Pires et al, Stability of optical knots in atmospheric turbulence, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-57827-1

Dmitrii Tsvetkov et al, Sculpting isolated optical vortex knots on demand, Photonics Research (2024). DOI: 10.1364/PRJ.533264

Journal information: Nature Communications 

Provided by Duke University