新光子态-光学龙卷风
古诗人苏轼在《题西林壁》中有这样一句古诗“横看成岭侧成峰，远近高低各不同。”可以发现，当换位思考时就可能有意想不到的结果。
近日,詹其文教授带领的纳米光子学团队在光子轨道角动量（Orbital Angular Momentum，OAM）研究领域中取得重大突破，成功添补了一项空白。首次从理论到实验分析了光子轨道角动量（OAM）的又一性质，即具有横向可控轨道角动量（OAM）的时空涡旋。詹教授带领的团队隶属于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团队。
时空涡旋具有横向可控的轨道角动量（OAM），这揭示了光子轨道角动量（OAM）的又一个全新自由度。其在光通讯、光信息处理、微纳光学、生物传感以及手性纳米材料光子学和等离子体器件等领域的研究中具有较大的潜力和应用价值。
02
背景介绍
电磁辐射拥有能量和动量。光作为电磁辐射家族中重要的成员之一，科学家已经证明光在沿着其传播纵向方向上（即空间直角坐标系中z轴的方向）具有线性动量。除此之外，科学家同时还证明光同样具有角动量，一个是与光子自旋有关的自旋角动量（SAM），表现的性质与光的偏振特性有关。另一个是与光子角向相位分布有关的轨道角动量（OAM）。如下图1.所示，表示的是光在纵向传播时所具有的自旋角动量（SAM）和轨道角动量（OAM）的示意图。
图1. SAM与OAM空间分布示意图
一般而言，角动量是沿着光传播方向的（即纵向的），而在2015年德国普朗克实验研究中心的科学家提出，在相对光传播方向上同样可以具有横向的自旋角动量（SAM）。如下图2.所示为产生纵向SAM和横向SAM的机械描述示意图。这一特性在很多领域中有广泛的应用，例如：这两个自由度可使我们能够探测原子、分子和量子点的自旋状态等。
图2. 纵向SAM与横向SAM机械描述示意图
从2015年的研究中，可以知道光不仅有纵向的SAM而且还有横向的SAM。那么，会有这样一个疑问就是轨道角动量（OAM）是否也同样具备这样的属性了？
而在通常的研究中，科研工作者常说的轨道角动量都是指沿着光传播方向纵向的轨道角动量。在本篇论文中，给了大家一个肯定的回答，那就是轨道角动量同样也具有横向特性。
但是，由于时空光涡旋复杂的物理特性，其具有极强的时空耦合性（即脉冲分布随空间位置的不同而变化）在一般的实验情况下没有可靠的办法产生。
在一些特殊情况下，例如：紧聚焦和有限波导的倏逝波以及非线性效应中会有存在。可是在这些极端情况下产生的横向OAM中，为零的OAM成分占据着极大部分，这就对横向OAM的研究带来了很大的研究局限。
在本文中，作者利用间接证明的方法——基于空间—时间面到空间频率—频率面的傅里叶变换中，角动量同样是守恒的原理来证明了横向OAM的存在。同时，作者分析了产生的横向轨道角动量（OAM）三维波包时空涡旋，相对于横向的自旋角动量（SAM）而言，三维时空涡旋具有的横向轨道角动量（OAM）的数量级可以通过更简单的方式能够改变，也就是说它是可控的。这一点的提出可能引发新的应用，并且作者在本文中提出的方法同样适用于其它频谱和不同的波场。
03
创新研究
3.1空间平面涡旋与时空平面涡旋的OAM
图3. 空间平面涡旋纵向与时空平面横向OAM示意图
如图3a.中对应的就是常见空间平面的一个立体三维涡旋波包示意图，其伴随着纵向的OAM。作者做了这样一个形象转换，即将图3a.中所示的空间三维涡旋波包绕x轴旋转90度，就可以得到一个伴随有横向OAM的三维涡旋波包。（我们也可以这样理解：即将图3b.中z轴方向可以当做一个时间轴t来处理。）
这样三维涡旋波包就在时空（x-t）平面内产生，对应涡旋光场的螺旋相位面就在了时空平面。那么其轨道角动量（OAM）也就是横向的了，即图3b.中红色箭头所指的方向。并且作者在补充材料中利用量子力学的原理对横向OAM的存在做了理论解释。（这里横向OAM的方向朝向y轴位置，其实它同样也可以朝向y轴的负向，这主要与螺旋相位的旋向有关。通常利用拓扑荷数的正负来表现。在此处作者用的拓扑荷数为1。）
3.2时空涡旋的产生
图4. 时空涡旋产生实验装置流程图
如图4.所示，是产生时空涡旋的装置流程图。作者通过利用空间频域的方法来证明时空涡旋的产生。因为在时空平面要直接产生时空涡旋脉冲的螺旋相位似乎是不可能的。但是有趣的是，我们可以利用傅里叶变换的方法来进行转化。因为时空平面经过二维傅里叶变换就可以转移到空间频域-频域内，而在这一过程中角动量仍然是守恒的。（对于这一部分的理论推演作者在原文和辅助补充材料中都有说明。）这就为证明时空涡旋的存在提供了良好的实验条件，因为我们可以通过光学元件就可以实现傅里叶变换。
在实验中，入射光（蓝色箭头）为一个约3ps的啁啾锁模脉冲。首先，入射光经过第一个镜片，在经过衍射光栅和柱面透镜实现在空间上作时—频傅里叶变换。变换后的光场入射到空间光调制器（SLM）上，空间光调制器上加载有拓扑荷数为1的涡旋相位。反射光（红色箭头）在经过衍射光栅和柱面透镜的逆傅里叶变换，就可以在出射端产生一个啁啾时空涡旋。并且通过在空间光调制器上加载具有不同拓扑荷数的涡旋相位，就可以实现具有可控横向轨道角动量时空涡旋的产生。
3.3时空涡旋的检测
在时空涡旋的产生中，作者巧妙的利用空间—时间面到空间频率—频率面的傅里叶变换方法，实现了时空涡旋的产生。现在面临一个新的问题就是，要证明在这种间接的方法下产生的时空涡旋具有横向轨道角动量（OAM），这同样是个非常重要的问题。
通常的方法是利用相干的方法来检测涡旋光，当涡旋光与平面波相干时会产生叉形的干涉条纹，叉形条纹中间的数量与轨道角动量的数值有关。如图5.所示，分别表示的是具有不同拓扑荷数分别为1和2的空间平面涡旋与球面波和平面波分别干涉的检测图像。
图5. 空间平面涡旋光与球面波和平面波相干检测的图样
同样，在文中作者利用迈克尔逊干涉的原理对时空涡旋进行了检测。如图6.所示，是时空涡旋的检测装置示意图。
图6. 时空光学涡旋的相干检测流程图
在图6.的实验装置中，将啁啾时空涡旋与一个短参考脉冲(约90 fs)成一定角度叠加，就可以得到干涉条纹。事实上，在作者实验时已经将时空涡旋被有意地啁啾得比参考脉冲长得多，这样就可以使得干涉条纹图案能够反映出短时间时空涡旋切片上的空间相位剖面。下图7.表示的全局相干结果图。
图7. 拓扑荷数为1的时空涡旋检测相干结果
在图6.的实验装置中，通过调节时空涡旋与参考光束之间的夹角，就可以形成垂直的条纹。而垂直条纹的存在和演化恰好就可以证明时空涡旋具有横向轨道角动量。其中，垂直条纹图案的演变可以做如下的理解。如图7a.所示，不同的竖线位置（1,2,3,4,5）表示不同的等相位面。当参考光遍历扫描通过时，由于时空涡旋上下相位存在梯度，所以出现相干条纹。而在中心奇点位置由于上下相位梯度发生变化所以就会出现扭曲。以奇点为中心两边呈对称变换的关系。图7b.为理论相干模拟的结果，图7c.为实测的实验结果。
最后，作者对高阶时空涡旋也进行了测量，以及对时空涡旋的三维相位分布做了重建仿真合成，其仿真结果与实验测量结果吻合的很好。
04
应用与展望
作者在本文中讨论了，具有可控横向轨道角动量的时空涡旋的产生和检测。并且作者所引用又加创新的方法具有一定的普适性。由于时空涡旋在横向上具有可调的OAM，作者认为这一特性可能会在独特的应用中得到应用。例如：增加光通信容量等方面。
同时，作者在接受美国物理学会的采访中讲到。作者更关心的是下一步的研究是什么？可能研究人员还需要一段时间来检验这些基础研究成果的应用，但他们推测，这种新的光状态可以用于改善大量数据的传输，而且具有更高的安全性，还有许多其他潜在的应用。以及作者更希望可以更好地理解这种状态的光，如何在空间和时间内与材料相互作用的结果是怎样的。
在采访的最后，詹其文教授的一句话，意味深长，他说："We don't know yet? But the sky's the limit"。
该研究成果以“ Generation of spatiotemporal optical vortices with controllable transverse orbital angular momentum ”为题在线发表在Nature子刊，世界光学顶尖期刊《 Nature Photonics 》上。作者分别是Andy Chong , Chenhao Wan, Jian Chen和Qiwen Zhan.
