光学计量长期以来一直依赖于干涉原理，但最近的一篇综述强调了轨道角动量（OAM）是如何重新定义该领域的。

通过将OAM整合进计量工具，研究人员现在能够追踪所有方向的运动，包括旋转动力学。

利用轨道角动量推动光学计量技术的发展

计量是现代工业的基础，为我们测量周围世界提供了不可或缺的标准。尤其是光学计量，长期以来一直依赖于干涉原理——自200多年前托马斯·杨（Thomas Young）取得突破性实验成果以来，这一概念基本上没有改变。但如果这一概念能够拓展，用于探索全新的测量维度，又会怎样呢？

在《Light: Science & Applications》期刊上发表的最新研究中，来自西安电子科技大学的郭立新教授领导的研究团队探讨了利用轨道角动量（OAM）的光学计量技术的演进及其未来潜力。本文着重介绍了该领域的基本原理、关键应用和主要进展。研究人员展示了携带OAM的扭曲光如何通过对多普勒效应的现代解释（即考虑OAM和偏振引起的频率变化）来解锁创新的测量技术，例如三维粒子追踪。

以扭曲光革新动态系统

“最初的多普勒效应只能追踪物体相对于观测者的靠近或远离运动，但在标量和矢量光中引入轨道角动量后，就可以追踪所有方向的运动，包括旋转运动，”来自南非的通讯作者安德鲁·福布斯教授说。“这一进展彻底改变了动态系统的计量方式。”

推动该领域向前发展的不仅是现有工具的范式转变，还有全新仪器的发明。其中一个例子就是轨道角动量（OAM）谱的概念，它可作为系统的“特征”：当OAM光通过复杂介质时，其OAM会发生变化，从而导致OAM谱的形状发生变化（见图1）。

OAM频谱分析中的机器学习与人工智能

“该介质的OAM指纹包含大量可供利用的信息，”第一作者程明建博士说。正如综述强调的那样，如果采用机器学习和人工智能解释OAM频谱，那么就能实现以OAM光为探针，实时分析和识别复杂介质，这是一个迅速获得关注的研究课题。

本次综述不仅涵盖了使用经典光的计量学，还涵盖了利用轨道角动量（OAM）的量子纠缠叠加态和单光子态。进入量子领域有望通过减少测量次数来降低噪声、提高准确度和精确度。然而，该领域的这一方面仍处于发展初期。

安德鲁·福布斯教授说：“使用轨道角动量进行量子计量仍然是一个新兴领域，存在着众多尚未发掘的机会。”

从微观到宇宙尺度的应用

此次全面综述涵盖了广泛的应用范围，从微观层面的纳米传感到宇宙层面的黑洞测量。它提供了一份权威性的概览，对初级研究人员和经验丰富的研究人员来说都具有极高的参考价值。