图1 径向偏振时空涡旋
1. 导读
光学奇点是光场内具有不确定物理量的强度为零的点，包括由不确定相位产生的相位奇点和由不确定偏振态产生的偏振奇点。具有相位奇点的代表性光束主要是光学旋涡，具有偏振奇点的代表性光束主要是柱矢量光束。随着光场调控技术的发展，复杂矢量光场即可单独携带相位奇点或偏振奇点，也可同时包含这两种光学奇点。光学奇点可显著增加复杂光场的自由度，被广泛应用于光通信、量子信息处理、超分辨显微成像、微纳加工等领域。此前对光学奇点的研究主要集中在空间域内的偏振奇点和以及携带纵向轨道角动量的空间位相奇点。
近日，上海理工大学詹其文教授团队在Nanophotonics发表最新文章，首次实验生成了带有横向轨道角动量的柱矢量偏振时空波包，展示了时空相位奇点可与空间偏振奇点共存。研究团队同时生成了径向偏振时空涡旋(如图1所示)和角向偏振时空涡旋，并通过斯托克斯参数测量和三维时空测量对所生成的时空波包的偏振和相位分布进行表征。实验结果充分表明在柱矢量时空涡旋中同时存在空间偏振奇点和横向时空奇点。
该研究成果提供了一种生成矢量时空涡旋的有效方法，将时空涡旋的研究从标量场扩展到了矢量场，进一步丰富了复杂光场的自由度，为矢量时空涡旋在光与物质相互作用、光镊、时空自旋轨道相互耦合等领域的应用奠定了基础。
2. 研究背景
近三十年来，相位奇点和偏振奇点的研究和应用引起了广大研究人员的极大兴趣。通常研究的相位奇点是指涡旋光束中与螺旋相位波前有关的轨道角动量，且此前大部分的研究工作都集中于纵向轨道角动量，其能流所环绕的轴与光束传播方向平行。另一方面，理论研究表明通过引入时间域内的相位变化可以生成横向轨道角动量，即涡旋光束的能流所环绕的轴与光束传播方向垂直。近期的实验结果证实了这一点，通过在空间频率-频率域中形成螺旋相位并在二维时空傅里叶变换后将螺旋相位保留在时空域中，从而以可控的方式生成带横向轨道角动量的时空涡旋。随后人们对这一新型光场开展了大量研究，包括其在自由空间中的传播特性、时空轨道角动量的超快调制、空间纵向轨道角动量与时空横向轨道角动量的叠加、亚波长尺度内时空涡旋的生成方法、二次谐波时空涡旋等，然而这些研究都只局限于标量时空涡旋中的横向相位奇点。
最广为人知的偏振奇点光场就是柱矢量光束，其中径向偏振和角向偏振是两个最基本的柱偏振态，由它们可以合成任意一种更广义的柱矢量光束。人们也开展了大量关于柱矢量光束的研究，涉及到理论、实验及应用等各个方面。已有研究者进行了将空间偏振偏振奇点与空间纵向相位奇点整合在一起的研究，例如通过半导体微腔生成径向偏振的空间涡旋，基于超表面器件在表面等离子波中生成柱矢量空间涡旋等。能否将空间偏振奇点与横向相位奇点整合到同一个复杂光场中，是时空光场研究中的一个重要科学问题。
3. 创新研究
针对上述挑战，研究人员基于高分辨率空间光调制器搭建了时空涡旋光场生成器，再让生成的带有横向轨道角动量的时空涡旋通过聚合物真零级涡旋半波片。旋转涡旋半波片的0度快轴，可以得到不同柱偏振态的矢量时空涡旋。涡旋半波片的0度快轴位于垂直方向时，生成的是角向偏振时空涡旋。对其进行斯托克斯参量测量，可得到其在空间的偏振分布，如图2所示。分别用水平偏振和垂直偏振的参考光对所生成的时空波包进行三维时空测量，可重构出角向偏振时空涡旋的三维时空结构及其时空螺旋相位，如图3所示。涡旋半波片的0度快轴位于水平方向时，生成的是径向偏振时空涡旋，研究人员同样对其进行了斯托克斯参量测量和三维时空测量，重构出来的径向偏振时空涡旋的三维时空波包及其时空螺旋相位如图1所示。根据实验结果，在径向偏振和角向偏振时空涡旋中均存在空间偏振奇点及拓扑荷数为1的横向时空相位奇点。
图2 角向偏振时空涡旋的偏振态表征结果
图3 角向偏振时空涡旋的三维时空测量结果
4. 应用与展望
研究团队首次实验生成了同时带有空间偏振奇点和时空横向相位奇点的柱矢量时空涡旋光场，将时空涡旋的研究从标量场扩展到了矢量场，丰富了时空涡旋的自由度，进一步研究这种新型矢量光波包的特性及其与物质的相互作用将揭示更多有趣的现象，并为从经典光学到量子光学的广泛应用铺平道路。
该研究成果以“Experimental demonstration of cylindrical vector spatiotemporal optical vortex”为题在线发表在Nanophotonics。
本文作者分别是Jian Chen（陈建）, Chenhao Wan（万辰皓）, Andy Chong, QiwenZhan（詹其文），詹其文教授为通讯作者。本项研究得到了国家自然科学基金委“新型光场调控物理及应用重大研究计划”重点项目，上海市科委地方院校能力建设项目，以及上海市教委高水平地方高校“纳米光子学”创新团队项目的部分支持。
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