近日，复旦大学物理学系/国重光子晶体课题组与香港科技大学陈子亭教授（C.T. Chan）团队合作，研究了在动量-频率域中设计光子晶体生成时空涡旋的一般性方法。理论上，研究人员提出在正交偏振转化体系中，受镜面对称性保护的完美偏振转化点可实现时空涡旋的生成；研究人员将这一思想进一步延申到仅有两个衍射通道的体系中，受镜面对称性保护的完美衍射点同样可以实现时空涡旋的生成。该方法具有普适性，可适用于任何二通道的波系统中，包括正交偏振和二阶衍射通道，也适用于任何二维或三维的波系统，诸如电磁波、声波和液体表面波等。实验上，研究人员分别在可见光波段光子晶体平板中观测到了由完美偏振转化点生成的时空涡旋，还在液体表面波系统中观测到了由一维光栅的完美衍射点生成的时空涡旋。前者以“Exploiting Topological Darkness in Photonic Crystal Slabs for Spatiotemporal Vortex Generation”为题发表在Nano Letters [Nano Lett. 2024, 24, 3, 943–949]，后者以“Generation of Spatiotemporal Vortex Pulses by Resonant Diffractive Grating”为题发表在Physical Review Letters [Phys. Rev. Lett. 132, 044001, 2024]。

    时空光涡旋（Spatiotemporal optical vortex, STOV）是一种具有时空域相位涡旋的光波包。这种携带横向轨道角动量的波包是涡旋光束在时空域上的类比，因而在光与物质相互作用、光通信等领域具有巨大应用潜力。除了光学中，时空涡旋在声学和液体表面波体系(也被称为Spatiotemporal Vortex Pulse, STVP)中也引起了广泛的研究兴趣。现有的时空涡旋生成技术通常依赖于波前整形装置，如空间光调制器或工程化的超表面。而周期性平板结构，例如二维光子晶体平板和一维光栅结构，是用于时间和空间调制波包的理想选择。这些结构提供了频率和平面波矢自由度，即时间和位置的互易空间，在动量-频率域中的调制直接体现在波包的时空域特性中。因而可以在动量-频率域中引入相位涡旋生成时空涡旋。基于此，研究团队开展了利用光子晶体动量-频率域中偏振转化的跳空高和衍射通道的调控来生成时空涡旋的研究。

    在第一个工作中（图1），研究团队通过设计了一种仅具有面内镜面对称性的二维光子晶体平板。该结构的共振散射会对入射平面波引入额外的相位和偏振变化。在特定频率下，受到结构镜面对称性保护，入射的圆偏振光会被波导共振态完全转换为正交态。对应地，在动量-频率域的同极化反射谱中会出现暗点，其周围具有相位涡旋，即“拓扑暗点”。三维的动量-频率域中，这样的暗点会形成暗线。当一束超短脉冲以对应的动量、频率入射该结构，动量-频率域中的拓扑暗线会映射到时空上，在反射波包中生成弯曲的时空涡线结构。在该工作中，研究团队将时域测量的技术集成到动量空间成像测量系统中，搭建了一套对微纳光子结构的时域光场调控进行表征的时域测量系统，直接观测到了由光子晶体平板生成的时空涡旋线结构。复旦大学石磊教授和资剑教授、香港科技大学刘文哲研究助理教授和陈子亭教授为论文共同通讯作者，刘文哲研究助理教授、王佳俊博士后、唐洋博士为论文共同第一作者，对论文具有突出贡献的合作者还包括复旦大学王昕豪博士研究生、赵星棋博士研究生等。

图1：基于光子晶体平板的动量-频率域拓扑暗点生成机制以及对产生的光场时空涡旋线的实验观测

    在第二个工作中（图2），研究团队提出利用一个简单衍射光栅生成时空涡旋的通用方法。这一机制的关键是利用衍射、光栅的镜面对称性以及共振在动量-频率域构建相位涡旋，进而生成时空域中携带横向轨道角动量的涡旋波包。在存在衍射的情况下，由于共振会引起在动量空间的X点处的完美衍射点（即回射点），围绕这一反射零点会形成镜面反射中的相位涡旋。在该工作中，研究团队搭建了一套可以用于实时观测液体表面波演化的实验测试平台，并在该平台实时观测了时空涡旋生成和演化过程，实验上证明了所提出方法的有效性。复旦大学石磊教授和资剑教授、香港科技大学刘文哲研究助理教授和陈子亭教授为论文共同通讯作者，车治辕博士后和刘文哲研究助理教授为论文共同第一作者。

图2：基于液体表面波测试平台对光栅反射生成时空涡旋的实验观测

    上述研究成果不仅给出了在动量-频率域中设计光子晶体结构用于生成时空涡旋的一般性方法，也为更复杂的时空波包的构造提供了新的思路。

文章链接：

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c04348

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.044001