近期，中國科學(xué)院上海光機(jī)所強(qiáng)場激光物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和空天激光技術(shù)與系統(tǒng)部，以及復(fù)旦大學(xué)、海南大學(xué)等單位合作，在時(shí)空渦旋串研究中取得重要進(jìn)展。相關(guān)成果以“Spatiotemporal vortex strings”為題發(fā)表在Science Advances上。

渦旋光不僅攜帶軌道角動(dòng)量（OAM），而且具有獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)，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(yīng)用。時(shí)空渦旋（STOV）是攜帶橫向軌道角動(dòng)量的一種新型的光學(xué)渦旋，在各種光學(xué)現(xiàn)象中表現(xiàn)出新奇的特性，因此近年來備受關(guān)注。目前，利用4f整形系統(tǒng)能夠可控地產(chǎn)生時(shí)空渦旋光。然而，傳統(tǒng)的時(shí)空渦旋光通常只攜帶一種OAM模式，一個(gè)脈沖攜帶多個(gè)橫向OAM 模式的“時(shí)空渦旋串”尚未見報(bào)道。此外，時(shí)空渦旋串的相位在時(shí)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(tài)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(tuán)隊(duì)成功產(chǎn)生了攜帶多個(gè)OAM模式且拓?fù)浜煽煽嘏帕械臅r(shí)空渦旋串，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。該研究從理論和實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了一個(gè)超快光脈沖可以加載幾十個(gè)STOV。圖2展示了具有隨機(jī)拓?fù)浜膳帕�、攜帶28個(gè)STOV的時(shí)空渦旋串的結(jié)果。利用衍射方法，一次性讀出了脈沖內(nèi)所有STOV的拓?fù)浜膳帕�，�?shí)現(xiàn)了時(shí)空渦旋串的快速、并行檢測�；�于時(shí)空渦旋串，研究團(tuán)隊(duì)還提出了一種新的光通信編碼/解碼方法，即多態(tài)橫向 OAM 鍵控技術(shù)（multi-state transverse OAM shift keying，MS-TOAMSK），利用攜帶2種OAM態(tài)、16個(gè)STOV的時(shí)空渦旋串實(shí)現(xiàn)了128×128的上海光機(jī)所所標(biāo)的傳輸（圖3），演示了這種新型結(jié)構(gòu)光在光通訊中的應(yīng)用。

圖1. 時(shí)空渦旋串的產(chǎn)生和探測裝置示意圖

圖2. 攜帶28個(gè)STOV的時(shí)空渦旋串的衍射圖像及產(chǎn)生該渦旋串所用的相位圖。（A）用于產(chǎn)生具有隨機(jī)拓?fù)浜膳帕�、攜帶28個(gè)STOV的時(shí)空渦旋串的相位圖；（C）和（D）分別為理論模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測量的該渦旋串的衍射圖像；（B）用于產(chǎn)生具有隨機(jī)正負(fù)一階拓?fù)浜膳帕械臅r(shí)空渦旋串的相位圖；（E）為實(shí)驗(yàn)測量的該渦旋串的衍射圖像。

圖3.（A）基于時(shí)空渦旋串的信息編碼解碼原理示意圖;（B）發(fā)射和（D）接收的上海光機(jī)所所標(biāo)；（C）數(shù)據(jù)傳輸過程中第100幀時(shí)空渦旋串所對應(yīng)的相位圖和衍射圖，解碼的拓?fù)浜尚蛄杏镁G色數(shù)字表示。

該研究將一個(gè)脈沖內(nèi)加載的STOV從一兩個(gè)拓展到幾十個(gè)，并利用衍射方法實(shí)現(xiàn)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(guān)于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用展示證實(shí)了時(shí)空渦旋串作為信號傳輸載體的優(yōu)勢。相關(guān)結(jié)果得到Science Advances審稿人的高度評價(jià)：主要結(jié)果相當(dāng)有趣和新穎（“quite interesting and novel”）；基于時(shí)空渦旋的圖像編碼和傳輸令人印象相當(dāng)深刻（“quite impressive”）；這是第一次展示時(shí)空渦旋光的用途（“It is the first time that the usefulness of STOVs is demonstrated…”）。

相關(guān)研究得到國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院、上海市科委等項(xiàng)目的支持。

相關(guān)鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adn6206