纽结独特而稳定的拓扑结构在物理学、生命科学、光与物质相互作用等领域扮演着重要角色，以纽结为代表的拓扑结构光场调控为新型光场的构建提供了新思路与新自由度。光学奇点是构建纽结拓扑结构的重要途径，如常见的相位、偏振奇点。相干奇点作为光学奇点的新类型，对应非相干光场统计关联零点，其分布可精密调控，与光场的空间相干性紧密相关，已在湍流中的光信息加密及鲁棒探测中展现出重要应用价值。然而，由相干奇点构建的高维结构光场尤其是拓扑结构光场尚未得到充分探索。
近日苏州大学赵承良教授团队联合南开大学陈志刚教授、山东师范大学蔡阳健教授提出了“非相干纽结”这一概念，即由非相干光场的相干奇点构成的三维纽结拓扑结构。有趣的是，尽管非相干光场的瞬时电场呈散斑分布且随机涨落，非相干纽结的拓扑结构仍保持稳定。这项研究成果以“Topological links and knots of speckled light mediated by coherence singularities”为题发表于国际光学顶尖期刊《Light: Science & Applications》（影响因子IF=23.4）。苏州大学王卓异博士生和卢兴园讲师为论文共同第一作者，苏州大学赵承良教授、南开大学陈志刚教授和山东师范大学蔡阳健教授为论文的共同通讯作者。
拓扑学作为研究几何结构在连续变形下不变量的理论，在流体动力学、量子场论、玻色-爱因斯坦凝聚等领域获得广泛应用，为高鲁棒性通信与数据存储提供了理论基础。其中，纽结是拓扑结构的典型形式，数学上定义为三维空间中闭合缠绕的曲线。此类结构不仅在数学中具有研究价值，也已在流体、液晶等物理系统中被观测到。2001年，Berry与Dennis 首次提出利用相位奇点构造完全相干光场中的稳定光学纽结，随后 Leach 等人通过拉盖尔高斯光束线性叠加实现了实验构建。此后，研究进一步扩展至偏振奇点与偏振纽结。然而，除相位与偏振外，相干性同样是光场的重要属性。相干奇点作为统计特性中的奇异结构，表现为与参考点相干度为零的位置，虽强度不为零却无法形成干涉条纹。图1展示了随机散斑光形成的非相干光场，其瞬时场随机但统计分布均匀。目前，由相干性调控引起的光学奇点及其对应的三维拓扑结构光场调控尚未得到系统研究。
图1散斑光场模拟与相干奇点构建的非相干拓扑结构示意图
本研究提出并实验构建了一种由相干奇点组成的三维拓扑结构——非相干纽结。尽管光场瞬时呈现随机散斑分布，得益于其统计平稳性，相干奇点与所形成的非相干纽结结构在演化过程中保持稳定。实验中，通过全息图调制动态散斑光场，并结合非相干模式分解技术，实现对非相干纽结结构的重构与测量。结果表明，强度零点在瞬时光场中波动剧烈并逐渐消失，而相干奇点则表现出高度稳健性。该发现拓展了拓扑光场的研究范式，为构建抗湍流的三维结构光束、增强非相干光与物质的耦合效率，以及实现高维光学信息编码提供了新路径。
未来研究可以进一步从非相干拓扑信息编码应用的实现、拓扑结构转化及其与物质相互作用等方面深入，基于非相干拓扑结构在噪声及波动环境下的稳健性，基于此类结构光场的信息编码有望提升光通信系统的安全性与传输效率，在未来的光学信息处理与通信技术中具有重要应用潜力。
研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省高校优势学科建设工程以及江苏省研究生科研实践创新项目等项目的支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41377-025-01865-3
