南京大学物理学院丁剑平、王慧田团队提出基于流体模型的结构光调控框架

南京大学物理学院丁剑平、王慧田团队在结构光场调控领域取得新进展，提出了将结构光视为动态“光流”的新物理图像，并建立了通过设计“光流线”来灵活构造与调控结构光的通用方法。

图1“Structuring Light with Flows”概念图

结构光场（如涡旋光束、贝塞尔光束、矢量光场等）具有空间结构化的强度、相位或偏振分布，在光学操控、显微成像、自由空间通信等领域应用广泛。然而，传统结构光场通常作为亥姆霍兹方程的特定解析解而存在，其传播行为（如高斯光束的发散、艾里光束的固定弯曲轨迹等）受限于数学形式，难以根据实际应用中复杂多变的需求进行灵活、协同的定制。现有基于几何光学、波动光学、傅里叶光学的一系列调控方法也大多针对单一特性，缺乏一个能够统一描述并设计多种传播模态的协同框架。

图2 (a-b) 拉盖尔高斯与贝塞尔光束传统波动图像下的静态复场表达；流体动力学图像下的动态能量流动表达（红线：光流线）

为突破这一局限，研究团队借鉴流体动力学的思路，将光场传播与流体流动进行物理类比，提出了“光流”这一概念，定义光能量流动方向的坡印廷矢量轨迹为“光流线”(图2)。基于这一概念，团队发展出了一套“流线工程”方法：首先根据目标传播动力学（如无衍射、自加速、可控发散等）规划出期望的光流线网络；然后通过求解与流体动力学方程模型的关系式，逆向设计出能够精确实现该流线分布的光场。这一方法相当于为光子的集体运动预先“铺设轨道”，从而实现对光传播路径和能量输运行为的直接控制(图3)。

图3 流线调控定制光场传输动力学

为验证“流线工程”方法的物理实效，研究团队借鉴流体力学中的“粒子图像测速”技术，利用光镊捕获微米小球作为示踪粒子(图4)。实验结果表明，小球在定制光场中的三维运动轨迹与理论预设的光流线高度吻合，直观证实了对光子能量路径的精确“编程”。

图4 基于光镊系统的“光流体测速仪”

进一步的原理性研究表明，利用流线定制自由构建传输行为的新型涡旋光束在自由空间通信场景中表现出显著优势。其不仅支持更多独立信道，而且在面对大气湍流和障碍物遮挡时，展现出更强的鲁棒性性和非视距传输能力。

图5 (a) 传统高阶涡旋载波传输尺寸发散、无法被有限尺寸探测器接收；(b) 流线调控动态定制传输行为的新型涡旋载波可以提升通信容量与湍流抗性；(c-d)通过流线调节传输动力学，新型涡旋载波可以适应动态的遮挡的场景，建立非视域的光连接。

该研究提出了一种不同于传统波动方程求解范式的结构光设计新路径。基于“光流”物理图像和“流线工程”的框架，为按需灵活调控光与物质相互作用、发展适应复杂环境的新型光子技术提供了新的思路。这一灵活方法在光通信、光学操控、显微成像等领域具有广阔的应用前景。

相关成果以“Structuring Light with Flows”为题发表于《自然·通讯》上。物理学院博士后严文翔、博士生袁政为论文共同第一作者，丁剑平教授和王慧田教授为共同通讯作者，汪喜林教授与任志成助理教授给予了研究指导，格拉斯哥大学博士后陈召忠提供了湍流模拟支持。该工作得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目的支持，依托于南京大学物理学院、固体微结构物理全国重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心等平台完成。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-69117-5