▍本文由論文作者團(tuán)隊(duì)（課題組）投稿

▍導(dǎo)讀

近日，上海理工大學(xué)未來(lái)光學(xué)國(guó)際實(shí)驗(yàn)室詹其文教授領(lǐng)導(dǎo)的納米光子學(xué)團(tuán)隊(duì)受邀撰寫(xiě)了光學(xué)時(shí)空渦旋(STOV)的綜述，文章以“Optical spatiotemporal vortices”為題發(fā)表于卓越計(jì)劃高起點(diǎn)新刊eLight。

光學(xué)時(shí)空渦旋，因攜帶光子橫向軌道角動(dòng)量和時(shí)空域的能量環(huán)流，近年來(lái)受到越來(lái)越多的關(guān)注。實(shí)驗(yàn)上可控生成時(shí)空渦旋的實(shí)現(xiàn)引發(fā)了該領(lǐng)域的一系列研究。本文涵蓋了從理論物理、實(shí)驗(yàn)生成方案、表征方法到應(yīng)用和未來(lái)展望的光學(xué)時(shí)空渦旋的最新發(fā)展。由時(shí)空渦旋賦予的光子橫向軌道角動(dòng)量的這一新自由度為光學(xué)中的新物理機(jī)制和光子應(yīng)用的發(fā)現(xiàn)鋪平了道路。

圖1：STOV的產(chǎn)生方法

光學(xué)渦旋和軌道角動(dòng)量（OAM）之間的緊密聯(lián)系是在1992年Allen的一篇開(kāi)創(chuàng)性論文中發(fā)現(xiàn)的。研究人員在經(jīng)典和量子光學(xué)中發(fā)現(xiàn)了光學(xué)OAM的眾多應(yīng)用，包括光通信、量子糾纏和密碼學(xué)、光鑷、微機(jī)械驅(qū)動(dòng)扭矩、旋轉(zhuǎn)多普勒效應(yīng)和成像。光學(xué)渦旋中每個(gè)光子攜帶的OAM與拓?fù)潆姾沙杀壤?，并?為單位量子化。與圓偏振態(tài)相關(guān)聯(lián)的自旋角動(dòng)量（SAM）限制為每光子[-?，?]。然而，每光子的OAM理論上是無(wú)限制的。光的角動(dòng)量方向通常沿著傳播方向。十年前，對(duì)橫向SAM的興趣開(kāi)始出現(xiàn)，并在強(qiáng)聚焦束和隱失波中發(fā)現(xiàn)了橫向旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)。"光子輪"這個(gè)詞被創(chuàng)造出來(lái)描述SAM方向和傳播方向之間的正交關(guān)系。類似地，攜帶橫向OAM的光學(xué)渦旋引起了愈加廣泛的關(guān)注。這篇文章是關(guān)于光學(xué)時(shí)空渦旋的最新研究進(jìn)展的綜述。第1節(jié)介紹了數(shù)學(xué)理論和物理解釋。第2節(jié)討論了STOV的產(chǎn)生、傳播和轉(zhuǎn)換。第3節(jié)總結(jié)了當(dāng)前的表征方法及其局限性。第4節(jié)介紹了不同類型的STOV。第5節(jié)討論了STOV的應(yīng)用。

圖2：不同類型的STOV

STOV代表了一種新型的光學(xué)旋渦，具有類似于空間旋渦的拓?fù)浜褪睾阈再|(zhì)，以及攜帶橫向OAM等新特性。不同種類的STOV在各種光學(xué)現(xiàn)象中表現(xiàn)出奇特的光子特性，并適用于光學(xué)操縱、時(shí)空微分器、亞光速和超光速脈沖傳播以及自由空間光通信。為充分理解STOV的時(shí)空相位奇異性并探索其應(yīng)用，尚有許多研究工作需要開(kāi)展包括：通過(guò)光纖等波導(dǎo)傳播STOV；在非均勻、各向異性或非線性材料中反射、折射和散射STOV；使用STOV在納米結(jié)構(gòu)中進(jìn)行模式激發(fā)和光操縱；STOV輔助的二向色性用于探測(cè)分子手性；STOV的光參量啁啾脈沖放大；超快速和超強(qiáng)STOV脈沖的表征和應(yīng)用?？梢云诖cSTOV相關(guān)的新物理機(jī)制和應(yīng)用會(huì)在不久的將來(lái)得到更多的展現(xiàn)。

| 論文信息 |

Wan, C., Chong, A. & Zhan, Q. Optical spatiotemporal vortices. eLight 3, 11 (2023).

https://doi.org/10.1186/s43593-023-00042-6

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