XK星空官网 利用光学涡流在未来技术中开辟新天地
- 扭曲、弯曲、摆动、捆绑
通过“操纵”光，我们能在多大程度上改变世界？
这个问题是系统工程学院的 Hirokazu KOBAYASHI 教授提出的挑战。
小林教授研究“光学涡旋”，这是一种具有螺旋结构的特殊形式的光。
通过随心所欲地控制这看似神秘的光芒，他使不可见变为可见，瞬间传递信息，甚至进入量子世界。
操纵光的能力正在为通信、传感、医疗和量子技术的未来打开大门。
中心有黑洞的扭曲光是什么？
中心有黑洞的环形光，沿着螺旋路径传播……这是一种特殊形式的光，称为“光学涡旋”。通过设计光线，使其传播速度在点与点之间略有不同，通常沿直线传播的光线会发生扭曲，从而形成这种独特的形状。
Hirokazu Kobayashi 教授正在进行光学涡旋操纵的前沿研究，旨在将其与未来技术联系起来。是什么启发了高中时期痴迷于电子电路和编程的小林教授进入光的世界呢？
“与电子电路不同，我们无法用手构建或控制光本身。但借助计算机和电子技术，我们可以按照我们想要的方式操纵光。这就是我发现的迷人之处。”
在通信、传感、医疗、量子技术等先进领域，光是不可或缺的元素。小林教授的旅程始于一个简单的好奇心：“我只是想创造一种稍微不寻常的光。”这种兴趣已经发展成为与光学涡旋相关的广泛研究。
螺旋光开启医疗和通信领域的未来
螺旋结构是光学涡旋最重要的特征，这种独特的结构为各个应用领域打开了大门。 “用普通光不可能实现的事情通过这种扭曲的光变得可能。这就是它如此迷人的原因，”他热情地说。
一个例子是STED显微镜，可以对物质进行纳米级观察。通过利用光学涡旋的暗中心，它可以比传统光更清晰地揭示精细结构。该技术在癌细胞诊断和神经细胞观察等应用中越来越受到医学和生物领域的关注。
小林教授和他的团队开发了一种原创技术（见下图），利用光学涡流使细胞核的边缘比其他方法显得更清晰。由于它可以通过仅增强边缘对比度来可视化透明结构，因此它对提高显微观察的精度做出了重大贡献。
光学涡旋的潜力超出了它们的“视觉能力”。光本质上非常适合高速通信，目前，信息主要通过光颜色的差异进行复用。通过添加形状（即光学涡旋），可以显着增加同时传输的信息量。
此外，通过在单一颜色的光上复用具有不同螺旋路径的涡流，可以进一步提高信息密度。小林教授和他的团队开发了一种新方法，使他们能够灵活控制单、双或三重形式的光学涡旋螺旋结构。一个梦想，”他越来越兴奋地说。
甚至用光学涡旋控制液晶量子现象
光学漩涡还可以使物体运动。小林教授与法国波尔多大学合作，利用光学涡旋的独特性质，成功控制液晶分子的排列。通过实验和理论方法，他们阐明了液晶分子响应旋转速度和方向等光学涡旋参数而扭曲、旋转和排列的机制。这种对液晶的光学操纵可以为下一代光驱动设备以及光学检测液晶变化的生物医学传感技术铺平道路。
光涡流在“光镊”技术中也展现出巨大的潜力，该技术利用光的微妙压力来捕获和移动微观粒子，而无需物理接触。这使得超越简单平移运动的更复杂的操纵成为可能，包括粒子旋转。
“我们发现，涡旋越复杂（通过加倍或三倍），旋转力就越强。我们开发的用于控制光学涡旋结构的技术在这一领域也应该具有价值。”
光学涡旋所拥有的这种“操纵能力”延伸到了量子领域。小林教授目前致力于量子光学领域，操纵单个光子可以创建新的通信和计算机制。 “这是我长期以来一直想从事的研究，现在一切都已就绪，我正在与我的学生一起努力，”他微笑着说。
量子密码学已经部分投入实际应用，但当谈到“带有涡旋的量子光”时，仍然存在很多未知领域，他说。
“光学涡旋可以表现出普通光无法实现的复杂而独特的行为。如果我们能够有效地利用这些特性，它将带来更先进的计算和高度安全的通信。”
从无名英雄到未来之星
光学涡旋世界拥有多种应用可能性。即使我们简单地说“操纵”光，其背后也存在着通过反复试验和错误而稳定累积的过程。当我们参观小林教授的实验室时，精密的光学元件和设备被塞满了每一个可用的空间，实验台上散布着复杂的迷宫般的设备。
经过此过程中的众多步骤，光学涡旋图像最终形成。他说，那一刻，一种深深的满足感油然而生。
“你付出巨大努力打造的东西终于以可见的形式出现。那一刻比任何事情都更令人欣慰。”
虽然他的研究涵盖了广泛的主题，但所有这些主题的背后都是对“充分发挥光自由度潜力”的承诺。
“光是一种具有多种面貌的现象。它的波长、颜色、强度、偏振甚至扭曲程度都可以自由控制。通过结合这些特性，我们可以创造出前所未见的功能和价值。光已经在我们生活的各个方面发挥着无名英雄的作用，但我相信我的角色是继续开发技术，挖掘光的潜力，从而创造出服务下一代的新形式的光。”
展望未来，他总结道：
“光技术正在成为与电力同等的基本要素。不久之后，所有电路都被光学电路取代的时代可能就会到来。”光的可能性现在进入了一个新的阶段。作为这段旅程的一部分，小林教授继续探索一条与光一起照亮未来的道路。
发布日期：2025 年 11 月/采访日期：2025 年 7 月
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