超快时空涡旋脉冲串：可定制横向轨道角动量的皮秒切换新方法

《Light-Science & Applications》：Ultrafast bursts of tailored spatiotemporal vortex pulses

本研究针对传统时空涡旋脉冲横向轨道角动量（T-OAM）难以瞬态切换的难题，通过开发时空复用全息技术，成功实现了由时空拉盖尔-高斯（STLG）波包构成的脉冲串，其具备皮秒量级可切换的T-OAM和交错手性特征，为光与物质相互作用、高维量子纠缠等前沿应用提供了全新工具。

　　

在光子学的前沿领域，携带轨道角动量（OAM）的光场因其独特的螺旋相位分布和光子轨道角动量特性，为光镊、量子通信和高分辨率成像等领域带来了革命性的变革。传统上，OAM可根据其方向分为纵向轨道角动量（L-OAM）和横向轨道角动量（T-OAM）。近年来，随着对时空耦合光场研究的深入，一种新型的时空光学涡旋（STOV）脉冲应运而生，其携带的T-OAM在空间和时间维度上同时具有奇异性。然而，现有研究多集中于单个静态STOV脉冲的生成与控制，如何实现脉冲串中每个脉冲的T-OAM在皮秒甚至更短时间尺度上的按需定制和快速切换，仍是一个巨大的挑战。这限制了此类结构化光场在超快光与物质相互作用、高维量子编码等需要动态调控的应用中的潜力。

为了突破这一瓶颈，由刘欣、梁春浩等人组成的研究团队在《Light: Science & Applications》上发表了他们的最新研究成果。他们提出并实验验证了一种产生“超快时空涡旋脉冲串”的新方法。该脉冲串由一系列独立的时空涡旋脉冲（即“梳齿”）构成，每个脉冲的时空波形，特别是其T-OAM的大小和手性，都可以被独立且精确地定制。这意味着研究人员能够像编排乐谱一样，预先设定好脉冲串中每个脉冲的拓扑荷数（包括径向指数p和角向指数?）及其出现的时间顺序，从而在极短时间内实现T-OAM的“编程式”变化。

研究人员为实现这一目标，巧妙地结合了二维超快脉冲整形技术与时空复用全息术。其核心技术路径可概括为：首先，在空间-频谱域，将一系列具有不同时空模态（如时空拉盖尔-高斯（STLG）模式）的复振幅信息编码到一个单一的时空复用全息图上。这个全息图包含了每个“梳齿”脉冲的完整时空特性。然后，利用一个集成了光栅和柱面透镜的4f脉冲整形器，对入射的飞秒激光脉冲的空间和频谱分布进行调控。全息图被加载到反射型纯相位空间光调制器（SLM）上，置于脉冲整形器的中间焦平面。最后，通过对SLM上的全息图进行二维空间-时间傅里叶变换，将编码在空间-频谱域的信息转换到空间-时间域，从而在输出端生成所需的、在时间上分离的时空涡旋脉冲串。实验中，他们还引入了群速度色散（GVD）相位来平衡空间衍射和时间色散，这对于产生高纯度的时空涡旋脉冲至关重要。通过使用去啁啾的参考光进行干涉测量，研究人员得以重构出脉冲串的三维时空形态。

结果

时空涡旋脉冲串与时间变化的角向量子数

研究团队首先生成了一个包含7个脉冲的时空涡旋脉冲串，其角向拓扑荷数?随时间从-3线性增加到+3，径向指数p均为0，脉冲间的时间间隔为2.8皮秒。通过实验测量重建的三维等强度图清晰展示了脉冲串的“飞行甜甜圈”结构，每个脉冲中心都有一个由时空相位奇点导致的暗核。相位分布进一步证实了?从-3到+3的时间演化。T-OAM谱分析表明每个脉冲在其目标模式指数上都具有高模式纯度。测量结果显示，脉冲串的T-OAM平均值表现出角加速度，其变化速率达到约0.36太赫兹，实现了T-OAM的泰赫兹量级超快切换。

交错手性时空涡旋脉冲串与光学卡门涡街

为了展示该方法的灵活性，研究人员生成了另一种脉冲串，其T-OAM在? = +1和? = -1之间交替变化。测量得到的脉冲串三维形态和相位分布均显示了这种交替变化的拓扑荷。通过计算光场能量密度通量，发现能量流围绕各自的相位奇点呈“螺旋”状 pattern 流动，且相邻脉冲的流动方向相反，形成了一个涡旋偶极子。这种随时间交错反转的能量手性，在视觉上构成了光学版本的“卡门涡街”（Kármán vortex street）现象，这是一种通常在流体力学中观察到的非线性涡旋脱落 pattern。

具有时变径向和角向量子数的时空拉盖尔-高斯波包串

更进一步，研究展示了该方法在调控多个光子自由度上的强大能力。他们生成了一个包含三种不同STLG模式的脉冲串，模式分别为（p=1, ?=-1）、（p=2, ?=+1）和（p=1, ?=+2），时间间隔为4皮秒。实验结果清晰地显示了随时间动态变化的时空相位奇点和边缘位错，导致了耦合的多环拓扑结构。模态分析表明，在各自的时间点上，目标模式（结合了特定的p和?）的功率占比分别达到82.5%、51.3%和84.4%，成功实现了高纯度的、同时具有时变径向和角向量子数的STLG波包串。

讨论与结论

本研究成功演示了一种新型的时空涡旋脉冲串，其核心创新在于能够在脉冲串的不同时间位置上定制时空耦合特性。所产生的脉冲串由一系列精心设计的时空涡旋波包构成，在皮秒时间尺度上展现出可变的横向轨道角动量（T-OAM）。该方法不仅实现了T-OAM大小和排列顺序的按需编程，还首次在脉冲串中实现了时空拉盖尔-高斯（STLG）波包径向指数p和角向指数?的同步动态调控。

这项工作的重要意义在于极大增强了对超短脉冲在时间和空间维度上进行同步精密控制的能力。所产生的脉冲串中每个时空涡旋“梳齿”在时空上是分离和正交的，这使得它们在非线性光学过程（如和频、谐波产生）中能够独立作用，同时由于共享中心频率，可能优化非线性过程的效率。这种具有定制时空特性的脉冲串为新型电子加速器、辐射源、微加工、非线性光谱学和激光尾波场加速等领域提供了潜在的新型驱动源。此外，脉冲串所提供的时间依赖的自由度为研究T-OAM与物质相互作用、时空拓扑光子学以及多路光通信等开辟了新途径。

尽管当前基于体光学元件的实验系统在单脉冲串包含的脉冲数量上存在限制，但未来集成超表面器件有望显著提高调制效率、分辨率和带宽，从而实现更复杂的时空光场调控。总之，该研究为生成和操控具有复杂动态特性的时空结构光场提供了一种强大而灵活的工具，有望在多个前沿科学和技术领域激发新的应用探索。