科学家们展示了一种全息条，它可以将一束激光分成五道定制的光束，从而形成一种光学结。该研究表明，光学结可以作为一种可靠的方法来传输编码信息或测量空气口袋中的湍流。
结通常被理解为由于长、柔韧材料的扭曲和转动而形成，这些材料用来固定鞋子或者让你在悬挂假日装饰时感到沮丧。光束听起来并不是一种可以形成结的材料。
但实际上是这样的。
想象一下，把几块石头同时扔进池塘。在水面上的某个点，形成的涟漪圈会混合成复杂的图案。现在想象能够控制每个涟漪圈的形状和速度。通过足够的计划，你可以让这个交错点按需形成复杂的三维形状。
在过去的几年中，研究人员基本上一直在用光来做到这一点。通过将几个具有特定属性的激光束重叠，并通过一系列透镜导向，可以形成一个静态的“光学结”，看起来像是在空间中某个特定点的复杂烟环网络。
现在，杜克大学的工程师们展示了一种全息条，它将一束激光分成五道定制的光束，从而形成光学结。这项研究以一系列论文的形式发表在《自然通讯》和《光子研究》上，表明光学结可以作为一种可靠的方法来传输编码信息或测量空气口袋中的湍流。
该团队能够证明嵌入这些光学结中的信息可以在激光穿过湍流空气的过程中存活下来，但并不像科学家们最初认为的那么简单。
杜克大学电气与计算机工程教授娜塔莉亚·利奇尼茨尔说：“人们认为，由于这些形状是数学稳定的物体，它们应该能够在复杂的环境中传输而不会出现任何问题。结果发现，它们并不能保证稳定，但我们可以让它们更稳定。”
为了产生这一结果，研究人员基本上使用了一个小型对流烤箱。虽然可以利用光纤设备模拟激光穿过湍流，但该团队希望在长距离内复制真实的情况。但是，虽然他们在南非的合作伙伴设置了跨越两栋建筑的实验，杜克团队却只能在一个餐桌大小的桌子上进行实验。
在莉奇尼茨尔实验室工作的博士后科学家达尼洛·戈麦斯·皮雷斯解释道：“我们使用了一个小的烤面包机大小的设备，底部有一个加热板和风扇来制造空气湍流。然后我们缩小激光束，并通过多个镜子反射，使其模拟几乎1000英尺的旅行。”
如果激光束在旅途中没有受到干扰，最终的结应该看起来像一根连续流动的绳子，带有三个圈。但研究人员发现，随着湍流的加剧，结更有可能演变为两个相互连接的环，或者甚至变成一个环，从而失去所包含的信息。
但他们也发现，这种降解并不是不可避免的，他们可以使结更长时间保持稳定。通过在光滑特征上添加更多的曲折——就像建造一个复杂的弯曲滑水道而不是简单的蜿蜒滑道——他们在给定平面内创建了更多的参考点来进行测量。[图片在最后以帮助说明]
尽管光学结的绑扎技术仍处于初期阶段——它们大约在20年前才被发现——但它有几种潜在的应用。信息可以编码到它们的形状中，并在长距离内传输。测量结在旅行中被打乱的程度也可能导致测量其通过的湍流量的方法。研究人员还相信，最终形成的结的复杂性可以用于捕获和操控三维空间中的微小粒子。
莉奇尼茨尔说：“在我们能真正将光学结用于任何应用之前，我们必须认真研究它们，并了解它们的行为。我们的研究是首次展示在真实湍流中传播，因此从这里我们可以迈出下一步，扩大研究，继续探索它们在自由空间中的工作方式。”
这项工作得到了海军研究局（N00014-20-2558）和陆军研究办公室（W911NF2310057）的支持。
