近期，中國科學院上海光機所強場激光物理國家重點實驗室和空天激光技術與系統部，以及復旦大學、海南大學等單位合作，在時空渦旋串研究中取得重要進展。相關成果以“Spatiotemporal vortex strings”為題發表在Science Advances上。
 

　　渦旋光不僅攜帶軌道角動量(OAM)，而且具有獨特的光學性質，因此在微觀粒子操控、大容量光通信、超分辨成像等方面具有廣泛應用。時空渦旋(STOV)是攜帶橫向軌道角動量的一種新型的光學渦旋，在各種光學現象中表現出新奇的特性，因此近年來備受關注。目前，利用4f整形系統能夠可控地產生時空渦旋光。然而，傳統的時空渦旋光通常只攜帶一種OAM模式，一個脈沖攜帶多個橫向OAM 模式的“時空渦旋串”尚未見報道。此外，時空渦旋串的相位在時域上快速變化，因此使用目前最常用的 STOV 測量方法(掃描干涉法和瞬態光柵光譜干涉法)探測波包中的所有 OAM 模式是比較困難的。
 

　　在該研究中，研究團隊成功產生了攜帶多個OAM模式且拓撲荷可控排列的時空渦旋串，實驗裝置如圖1所示。該研究從理論和實驗上驗證了一個超快光脈沖可以加載幾十個STOV。圖2展示了具有隨機拓撲荷排列、攜帶28個STOV的時空渦旋串的結果。利用衍射方法，一次性讀出了脈沖內所有STOV的拓撲荷排列，實現了時空渦旋串的快速、并行檢測。基于時空渦旋串，研究團隊還提出了一種新的光通信編碼/解碼方法，即多態橫向 OAM 鍵控技術(multi-state transverse OAM shift keying，MS-TOAMSK)，利用攜帶2種OAM態、16個STOV的時空渦旋串實現了128×128的上海光機所所標的傳輸(圖3)，演示了這種新型結構光在光通訊中的應用。
 

　　該研究將一個脈沖內加載的STOV從一兩個拓展到幾十個，并利用衍射方法實現了波包中所有STOV的一次快速檢測，極大地提高了信息編碼和解碼的能力。關于數據傳輸的應用展示證實了時空渦旋串作為信號傳輸載體的優勢。相關結果得到Science Advances審稿人的高度評價：主要結果相當有趣和新穎(“quite interesting and novel”)；基于時空渦旋的圖像編碼和傳輸令人印象相當深刻(“quite impressive”)；這是第一次展示時空渦旋光的用途(“It is the first time that the usefulness of STOVs is demonstrated…”)。
 

　　相關研究得到國家自然科學基金委、中國科學院、上海市科委等項目的支持。
 

圖1. 時空渦旋串的產生和探測裝置示意圖。
 

　　圖2. 攜帶28個STOV的時空渦旋串的衍射圖像及產生該渦旋串所用的相位圖。(A)用于產生具有隨機拓撲荷排列、攜帶28個STOV的時空渦旋串的相位圖；(C)和(D)分別為理論模擬結果和實驗測量的該渦旋串的衍射圖像；(B)用于產生具有隨機正負一階拓撲荷排列的時空渦旋串的相位圖；(E)為實驗測量的該渦旋串的衍射圖像。

 

　　圖3.(A)基于時空渦旋串的信息編碼解碼原理示意圖;(B)發射和(D)接收的上海光機所所標；(C)數據傳輸過程中第100幀時空渦旋串所對應的相位圖和衍射圖，解碼的拓撲荷序列用綠色數字表示。