▍本文由論文作者團隊（課題組）投稿

▍導讀

近日，上海理工大學未來光學國際實驗室詹其文教授領導的納米光子學團隊受邀撰寫了光學時空渦旋(STOV)的綜述，文章以“Optical spatiotemporal vortices”為題發表于卓越計劃高起點新刊eLight。

光學時空渦旋，因攜帶光子橫向軌道角動量和時空域的能量環流，近年來受到越來越多的關注。實驗上可控生成時空渦旋的實現引發了該領域的一系列研究。本文涵蓋了從理論物理、實驗生成方案、表征方法到應用和未來展望的光學時空渦旋的最新發展。由時空渦旋賦予的光子橫向軌道角動量的這一新自由度為光學中的新物理機制和光子應用的發現鋪平了道路。

圖1：STOV的產生方法

光學渦旋和軌道角動量（OAM）之間的緊密聯系是在1992年Allen的一篇開創性論文中發現的。研究人員在經典和量子光學中發現了光學OAM的眾多應用，包括光通信、量子糾纏和密碼學、光鑷、微機械驅動扭矩、旋轉多普勒效應和成像。光學渦旋中每個光子攜帶的OAM與拓撲電荷成比例，并以?為單位量子化。與圓偏振態相關聯的自旋角動量（SAM）限制為每光子[-?，?]。然而，每光子的OAM理論上是無限制的。光的角動量方向通常沿著傳播方向。十年前，對橫向SAM的興趣開始出現，并在強聚焦束和隱失波中發現了橫向旋轉電場。"光子輪"這個詞被創造出來描述SAM方向和傳播方向之間的正交關系。類似地，攜帶橫向OAM的光學渦旋引起了愈加廣泛的關注。這篇文章是關于光學時空渦旋的最新研究進展的綜述。第1節介紹了數學理論和物理解釋。第2節討論了STOV的產生、傳播和轉換。第3節總結了當前的表征方法及其局限性。第4節介紹了不同類型的STOV。第5節討論了STOV的應用。

圖2：不同類型的STOV

STOV代表了一種新型的光學旋渦，具有類似于空間旋渦的拓撲和守恒性質，以及攜帶橫向OAM等新特性。不同種類的STOV在各種光學現象中表現出奇特的光子特性，并適用于光學操縱、時空微分器、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的時空相位奇異性并探索其應用，尚有許多研究工作需要開展包括：通過光纖等波導傳播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在納米結構中進行模式激發和光操縱；STOV輔助的二向色性用于探測分子手性；STOV的光參量啁啾脈沖放大；超快速和超強STOV脈沖的表征和應用。可以期待，與STOV相關的新物理機制和應用會在不久的將來得到更多的展現。

| 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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