PRL & Nano Letters : 利用光子晶体动量-频率域的调控维度生成时空涡旋

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导读

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。

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，研究人员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。

工作1：利用二维光子晶体平板中交叉极化的拓扑暗点生成时空涡旋

研究人员设计了一种仅具有面内镜面对称性的二维光子晶体平板，其由刻蚀了三角孔洞阵列的电介质薄膜构成，下方为银镜。该结构支持一系列波导共振态，这些模式与自由空间的平面波存在耦合。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”（图1）。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。

图1 动量-频率域的拓扑暗点生成机制。(a) 具有镜面对称的反射式光子晶体平板与三维时空涡旋线产生示意图；（b）镜面对称性保护下，波导共振态对某一偏振引入相位，导致圆偏振态完全转换；（c）绕圆偏振态完全转换点的非完全转换回路具有拓扑特性；（d）受镜面对称性保护，动量-频率域的拓扑暗点在镜面上形成暗线；（e）在有损耗情况下，拓扑暗线会偏离结构镜面。

研究团队经过多年的积累已经具有了完善的能带和相位测量表征能力，在本工作中，研究团队进一步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，可以对本工作中利用光子晶体平板产生的时空涡旋光场进行测量表征。

图2 基于动量空间成像系统进一步发展的时域分辨光场成像测量系统。

研究者加工制备了所设计的光子晶体平板，并通过时域分辨的光场成像实验系统直接观测到了由光子晶体平板生成的时空涡线结构。通过提取不同时刻的奇点位置，研究者得以绘制出时空中弯曲的涡线轨迹。这证实了基于光子晶体平板拓扑暗点效应的时空光涡旋生成机制。该方法克服了传统自由空间光学元件的限制，展示了在超薄的集成光芯片上制备时空光涡旋的可能性。

图3 实验测量得到的时间域奇点对演化与三维时空涡线。

研究人员通过设计光子晶体的色散关系，可以精确调控时空光涡线的曲率，实现更复杂的时空光波包塑形。这项研究为时空光技术的发展开辟了新的思路。该成果以“Exploiting Topological Darkness in Photonic Crystal Slabs for Spatiotemporal Vortex Generation”为题在线发表在Nano Letters[1]。香港科技大学刘文哲研究助理教授、复旦大学石磊教授和资剑教授、香港科技大学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。

工作2：利用衍射式共振光栅结构的完美衍射点生成时空涡旋

图4 基于镜面光栅的完美衍射点生成时空涡旋的机制。（a）高斯波包经过衍射式共振光栅反射生成时空涡旋的示意图。（b）动量-频率域中由衍射和光栅的镜面对称保护的完美衍射点（回射点）和相位涡旋。

研究人员提出利用一个简单衍射光栅生成时空涡旋的通用方法（图4）。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。如图4b所示，在仅支持反射和负一阶衍射的动量-频率范围内（蓝色阴影区域），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。

图5 液体表面波系统中频率-动量域的完美衍射点、相位涡旋以及生成的时空涡旋。

研究人员首先将所提出的时空涡旋的生成机制实施到液体表面波系统中。图5a是所设计的用于构建动量-频率域相位涡旋的光栅的反射率图。动量-频率域中的双通道区域用虚线表示，对应于图4b中蓝色阴影区域。图5b是用于生成时空涡旋的X点奇点周围(镜面反射率为零)的反射率图。相应的反射相位图（图5c）显示了奇点周围的2相位漩涡。当假设高斯波包以奇点频率为中心频率入射到光栅上，通过傅里叶变换反射率和相位图可以得到时空域中的分布，显示出典型的音叉状特征（图5d）。

图6 高斯波包经光栅反射生成时空涡旋的实验观测。

研究人员在液体表面波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。图6a是实验装置，利用高斯脉冲信号（图6b是入射信号随时间变换）波源装置和波前塑型结构，生成在时空上都是高斯分布的波包作为入射波。图6c中是入射波包入射到光栅结构上经过反射，产生时空涡旋的过程，可以看到反射波包中心具有音叉状波前结构。图6b中反射信号随时间的变化上可以清楚看到明显的相位跳变，提取出的相位图也证实了相位涡旋的存在。实验结果和模拟结果（图6d）十分吻合。

这项研究展示了利用简单的光栅结构，在动量-频率域中设计相位分布生成时空涡旋的机制，为实现更易于集成和操控的时空光波包的研究提供了思路。该成果以“Generation of Spatiotemporal Vortex Pulses by Resonant Diffractive Grating”为题发表在Physical Review Letters上[2]。香港科技大学刘文哲研究助理教授、复旦大学石磊教授和资剑教授以及香港科技大学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。