大气湍流中的暗度纽结

拓扑学起源于数学，如今推动着从基本粒子物理和宇宙学到凝聚态物理等众多科学与技术分支的理解。在光学中，光与暗的拓扑为塑造光束提供了超越传统使用的振幅、相位和偏振的新自由度。这一全新的空间维度为多种光学应用开辟了新机遇，涵盖光操控、捕获、数据处理、光学传感与计量、增强成像与显微术，以及经典和量子通信。尽管数学纽结的拓扑稳定性意味着对扰动的鲁棒性，暗示其作为信息载体的潜力，但光学纽结在扰动环境（如大气湍流）中的行为在很大程度上尚未被探索。在这里，我们通过实验和理论研究了大气湍流对光学纽结稳定性的影响，并证明在弱湍流区域中，交叉数（拓扑不变量）得以保持，但在较强湍流条件下可能不守恒。湍流介质在实验室中使用相位屏模拟，这些相位屏携带与Kolmogorov功率谱相关的折射率变化，编码在空间光调制器中。通过单次测量复场重建光学纽结，并针对各种实际湍流强度分析了纽结拓扑的恢复力。这些研究可能为湍流的三维空间分辨探测带来全新方法。