涡旋动力学包括涡旋的运动、演化和传播过程，在流体力学、大气科学以及物理学等多个领域都引发了极大的兴趣和挑战。近期，浙江大学物理学院的王立刚教授团队在光学涡旋对的动力学研究中取得突破性进展。在本研究中，研究团队使用空间光调制器控制光束相位，通过干涉与相位重建方法，生成并实时追踪纯相位涡旋对束（PPVPBs）在自由空间和透镜系统中的演化过程。研究首次观测到了PPVPBs中涡旋对的共舞与振荡行为，这种行为高度依赖于涡旋初始相对位置，并且能显著延缓对涡旋之间的湮灭过程，展现出类似光学“藤原效应”。

图1：自由空间中PPVPBs的涡旋轨迹与涡旋间距变化。（A和B）相对离轴距离ũ₀=0.4时，不同拓扑荷下的涡旋轨迹图，其中（A）m₁ = m₂ = 1，（B）m₁ = -m₂ = 1。图中蓝色与红色点分别表示正涡旋与负涡旋的实验运动轨迹，实线为理论预测结果，绿色线为其在xy平面上的投影。（C和D）在不同ũ₀下，涡旋间距的传输演化过程，其中（C）m₁ = m₂ = 1，（D）m₁ = -m₂ = 1。

研究团队利用光学流体力学模型解释了涡旋对新型的动力学行为。他们将涡旋场分解为被观测涡旋的局部场和其余的背景场，被观测涡旋会在背景速度场中冲浪中前进，因而出现螺旋形和周期性振荡运动。在高阶拓扑荷情况下，背景场环流的进一步增强导致了涡旋对的反复生成与再湮灭。此外，研究还揭示了高阶涡旋对的裂变行为，如±2或±3阶涡旋在传播中会迅速分裂为多个±1阶涡旋，进一步发生缠绕、合并、湮灭等复杂过程，呈现出极其丰富的动力学演化，初始的相对离轴距离（即涡旋对间的起始距离）是调控其动力学行为的关键参数，可精确操控涡旋振荡与湮灭过程。最后，团队在2f系统中探究了PPVPBs的远场行为，量化了不同阶数下发生涡旋对湮灭的临界值。这为未来在涡旋信息传输、光学操控以及量子光学等前沿领域的研究提供了新的动力学机制和理论支持。

图2：不同传输距离下，测试涡旋在背景速度场中的运动图，图中青色和黄色圆点分别表示正涡旋和负涡旋的位置，空心点代表其上一帧所在的位置，实心点代表当前的位置；红色箭头表示背景速度场。（A）m₁ = m₂ = 1，（B）m₁ = -m₂ = 1，（C）m₁ = m₂ = 2，（D）m₁ = -m₂ = 2。

该研究工作以“Observation of vortex-pair dance and oscillation”为标题，于2025年3月14日在线发表在《Science Advances》期刊。浙江大学物理学院光电物理研究所的博士生刘大东、陈来分别第一、第二作者，王立刚教授为通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金资助。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adn9279