将激光束编织成稳定的“光学结”

结的形成通常被认为是由于长而柔韧材料的扭曲缠绕，比如鞋带上的结能固定鞋子，而试图悬挂节日装饰时结却令人困扰。光束听起来不像能打结的材料，但实则不然。

设想将几块石头同时投入池塘。在水面的某一点，产生的涟漪环会混合形成一个复杂图案。若能控制每个环的形状和速度，通过精心设计，就能让该交汇点在三维空间中按需形成复杂形状。

近年来，研究人员一直在用光实现这一目标。通过叠加多束具有特定属性的激光，并引导其通过一系列透镜，干涉图案可在空间中形成静止的“光学结”，形如烟圈组成的复杂网状结构。

杜克大学工程师近期展示了一种全息条带，可将单束激光分为五束定制光束以编织光学结。发表于《自然·通讯》和《光子学研究》的系列论文表明，光学结可作为传输编码信息或测量空气湍流的可靠方法。

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湍流对光学结的影响

研究团队证明，嵌入光学结的信息可在组成激光穿越湍流空气时保持完整，但其稳定性超出科学家最初预期。杜克大学电子与计算机工程教授Natalia Litchinitser策表示：“人们曾认为，由于这些结构在数学上是稳定实体，应能无碍穿越复杂环境，事实证明其稳定性并非绝对，但我们可以增强其稳定性。”

为验证此结论，研究人员使用小型对流烤箱进行实验。尽管可通过光纤设备模拟激光穿越湍流的过程，但团队希望实现长距离真实环境下的复现。由于合作方南非团队拥有跨建筑实验装置，杜克团队只能在餐桌面大小的空间操作。

Litchinitser实验室博士后Danilo Gomes Pires解释道：“我们采用烤箱大小的设备，底部设置加热板并用风扇制造空气湍流，随后压缩光束并通过多次镜面反射模拟近千英尺的传播路径。”

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实验装置

若激光束未受扰动，形成的结应呈现为含三个环的连续流动线条。但实验显示，随着湍流加剧，结更易退化为两个互连环甚至单个环，导致信息丢失。

研究发现这种退化并非必然，可通过增加结构复杂度延长结的稳定性。例如在平滑特征中嵌入更多扭曲路径，如同建造复杂旋转水滑梯而非简单弯道，从而在给定平面内创建更多测量参考点。

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打结场的优化

尽管光学结技术尚处萌芽阶段（约二十年前被发现），其潜在应用广泛。信息可编码于结形中实现长距离传输，结形畸变程度可反映途经湍流强度。研究者还认为，复杂结形可用于三维空间中捕获和操控微粒。

Litchinitser 说：“在实际应用前，我们需深入研究其行为特性，这是首个真实湍流环境中的传播演示，未来我们将继续探索其在自由空间中的拓展应用。”

相关链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-57827-1