Light | 詹其文/蔡阳健团队定制时空涡旋脉冲串

大家好，我是小猿。今天给大家介绍一篇来自上海理工大学詹其文教授团队和山东师范大学蔡阳健教授团队发表在Light: Science & Applications上的最新成果。他们首次实验生成了时序特性可任意定制的时空涡旋脉冲串，并实现了“光学卡门涡街”的构筑。

核心速览

近年来，光场调控技术的发展使得我们可以像捏泥人一样塑造光的时空形态。其中，携带轨道角动量（Orbital Angular Momentum, OAM）的涡旋光束一直是研究的热点。传统的OAM，即纵向OAM（L-OAM），其相位螺旋是围绕着传播轴的。而一种更新颖的OAM，即横向OAM（T-OAM），其相位螺旋则存在于时空平面内，这种光束被称为时空光涡旋（Spatiotemporal Optical Vortex, STOV）。

虽然此前已有研究实现了光束OAM随时间的动态变化，但这主要局限于L-OAM。对于T-OAM，研究大多集中在单个脉冲的整形上，如何实现一个脉冲序列中每个子脉冲T-OAM的独立、快速切换，仍然是一个悬而未决的挑战。这篇来自上海理工詹其文教授团队和山东师范大学蔡阳健教授团队的论文，漂亮地解决了这个问题。

核心思想：时空复用全息术

为了实现对脉冲串中每一个子脉冲时空属性的独立定制，研究团队提出了一种精巧的“时空复用全息术”。其核心思想可以类比光频梳和脉冲串的傅里叶变换关系。

• 正向过程：光频梳在时域上对应等间隔的脉冲串。如果我们将不同的空间模式（例如携带不同L-OAM的涡旋）加载到光频梳的不同梳齿上，通过傅里叶变换，就能在时域上得到一个OAM随时间快速变化的“自扭矩”光束。
• 逆向过程：反过来，一个时域上的脉冲串在频域上则对应着复杂的频谱。研究团队正是利用了这一点。他们首先在时域上“规划”好一个包含多个独立STOV子脉冲的脉冲串，计算出它所对应的二维时空频谱。这个复杂的频谱信息（包含振幅和相位）被编码成一个纯相位全息图，并加载到空间光调制器（SLM）上。
• 时空变换：当一个超快激光脉冲经过这个由SLM、光栅和透镜构成的“二维超快脉冲整形器”后，通过一次二维时空傅里叶变换，预先设计的复杂时空频谱就被“解码”成真实的时域脉冲串，从而生成了所需要的、每个子脉冲时空特性都被精确定义的时空涡旋脉冲串。

成果1：皮秒级切换的T-OAM“加速器”

研究团队首先展示了对T-OAM拓扑荷数 l 的精确控制能力。他们成功生成了一个包含7个STOV子脉冲的脉冲串，其拓扑荷数 l 从-3线性变化到+3。

实验结果（如下图所示）清晰地展示了每个子脉冲都呈现出由时空相位奇点导致的中心暗核，并且暗核的尺寸随着拓扑荷绝对值的增大而增大。更重要的是，这种T-OAM的切换速率达到了太赫兹（THz）量级（约0.36 THz），相当于在时空平面上实现了一种“角加速度”和“角减速度”的超快控制。

成果2：光场中的“卡门涡街”

为了进一步展示该技术的强大灵活性，研究团队构建了一种更为有趣的动态光场——光学“卡门涡街”。他们生成了一个STOV脉冲串，其子脉冲的T-OAM拓扑荷 l 在+1和-1之间交替变化。

这种拓扑荷（手性）随时间的周期性反转，导致光场能量流在时空平面上呈现出交错排列的“螺旋”图案。这与流体力学中，钝体在流体中运动时尾部形成的交替脱落的涡旋（即卡门涡街）现象形成了绝妙的类比。

将流体力学中的经典现象在光场中复现，这种跨界的类比总是让人拍案叫绝。小猿也很好奇，这种“光学卡门涡街”在与物质相互作用时，例如在等离子体中传播，是否会诱导出类似流体中的周期性效应或不稳定性呢？这或许是一个值得深入探讨的方向。

成果3：径向与角向量子数的同步调控

该技术的控制能力并不仅限于角向量子数 l。研究团队进一步证明，他们可以同时对径向量子数 p 和角向量子数 l 进行独立调控，生成由更复杂的时空拉盖尔-高斯（STLG）波包组成的脉冲串。 实验中，他们成功生成了包含三个不同STLG模式(p=1, l=-1), (p=2, l=+1), (p=1, l=+2)的脉冲串，并且每个模式都保持了较高的纯度。

这一结果充分说明，该方法为在超快时间尺度上实现对光场时空自由度的全方位、精细化调控打开了大门。

总结与展望

这项工作首次实现了特性可按需定制的超快时空涡旋脉冲串的生成。这种在皮秒时间尺度上对光场T-OAM及其他时空属性进行独立、快速切换的能力，为光与物质相互作用、非线性光学、高维量子纠缠以及时空计量学等领域的研究提供了全新的工具。作者在文末也指出，未来若采用超构表面器件代替传统的SLM，有望进一步提升系统的性能，实现更高分辨率、更宽带宽和更多子脉冲的超快时空光场调控。

图文速览

 

 

 

 

 

论文信息

• 论文中文标题： 定制化时空涡旋脉冲的超快脉冲串
• 论文英文标题： Ultrafast bursts of tailored spatiotemporal vortex pulses
• 作者： Xin Liu, Chunhao Liang, Qian Cao, Yangjian Cai*, and Qiwen Zhan*
• 期刊： Light: Science & Applications
• 发表日期： 2025.10.10
• DOI链接： https://doi.org/10.1038/s41377-025-02062-y