近日,上海理工大学庄松林院士和顾敏院士领导的未来光学国际实验室在光子轨道角动量研究领域再次取得重大突破，詹其文教授带领的纳米光子学团队首次从理论到实验展示了具有时空涡旋相位并携带光子横向轨道角动量的新型光场，开创了一个全新的光子轨道角动量自由度，在光通讯、光信息处理、量子光学、粒子操控、粒子碰撞、相对论空间物理等领域具有较大的研究和应用价值。该研究成果以“Generation of spatiotemporal optical vortices with controllable transverse orbital angular momentum”为题在线发表在世界光学顶尖期刊《自然-光子学》上。

研究背景

光子具有沿光束传播方向的线性动量。光子也可以携带角动量，包括与圆偏振相关的自旋角动量和与涡旋相位相关的轨道角动量。通常光子的自旋角动量和轨道角动量都是沿光束传播方向。光子角动量在高速光通信、粒子操控、全息成像、量子光学等方面得到了广泛的研究和应用。以粒子操控为例，光子的自旋角动量可以使粒子以自身为轴进行旋转，而光子的轨道角动量可以使粒子以光束中心为轴进行旋转，类似于地球的自转和公转。近年来，研究表明在高数值孔径聚焦光场和瞬逝波光场中存在垂直于光束传播方向的光子横向自旋角动量。光子横向自旋角动量在光子自旋-轨道角动量耦合、量子光通信和表面等离基元定向传播方面得到了广泛关注和研究，而垂直于光束传播方向的光子横向轨道角动量尚未见报道。

创新研究

光子横向轨道角动量垂直于光束传播方向并且与多色波涡旋相位相关。光波包是一个时空波包，具有横向涡旋结构，类似于一个快速移动的飓风。光子横向轨道角动量理论上可以具有无穷多个数值，也称为拓扑荷，可以通过多色波涡旋相位来控制。

时空光涡旋的产生基于空间频率-频率面到空间-时间面的傅里叶变换。通常，在空间-时间面直接叠加涡旋相位是困难的，但是在空间频率-频率面叠加涡旋相位是较为容易的，可以通过光栅、柱透镜和液晶光调制器件等光学相位元件在实验室中实现。携带不同拓扑荷光子横向轨道角动量的时空波包可以通过液晶光调制器件调控不同的涡旋相位实现。空间频率-频率面的涡旋相位经过傅里叶变换后在空间-时间面内仍然存在，从而生成可控的时空光涡旋。

时空光涡旋波包是一个皮秒量级的啁啾脉冲，通过精密电控位移台让一个飞秒脉冲与其叠加干涉，形成一组干涉条纹。基于实验所测得的一系列干涉条纹，可以重建空间-时间面内中心为奇点的涡旋相位分布，与理论预期相符。通过干涉条纹，还可以计算时空波包在三维空间中的光强分布。在空间-时间面内，光波包对应相位奇点位置的光强为零。

光子横向轨道角动量的突破性研究进展是上海理工大学在光子轨道角动量研究领域又一重大突破。这一研究揭示了一个全新的光场态，开辟了一个新的光子轨道角动量维度，在小到光场与原子分子相互作用以及微纳结构与器件、大到宏观宇宙及相对论研究，具有广阔的应用前景。

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