近日，上海理工大学庄松林院士、顾敏院士领导的未来光学国际实验室在光子轨道角动量研究领域再次取得重大进展，纳米光子学团队在国际上率先实验实现了携带随时间快速变化的光子横向轨道角动量的时空波包，该研究在超快光信息处理、传输以及光子轨道角动量与微纳米结构的超快作用中具有重要的应用价值。该研究成果“Generation of ultrafast spatiotemporal wave packet embedded with time-varying orbital angular momentum”以研究快讯（Short Communication）形式被著名综合性一区期刊Science Bulletin接收并在线发表。
具有涡旋相位的光束可携带光子轨道角动量。涡旋相位旋转一周通常是2的整数，这个整数被称为拓扑荷。光子轨道角动量的大小等于约化普朗克常数和拓扑荷的乘积。大多数涡旋光束的轨道角动量并不随时间变化。角动量的时变特性在光通讯，信息处理以及光与物质的超快作用中具有重要潜在应用。最近，西班牙萨拉曼卡大学Rego等人在Science上发文演示了一种随时间快速变换光子纵向轨道角动量的光束，称为“自转矩光束”。然而该技术基于极紫外高次谐波产生，实验手段十分复杂而且缺乏可控性。
在该团队最近发表于《自然-光子学》的产生光学横向轨道角动量的方法基础上，上海理工大学纳米光子学团队首次在实验上证明了精密可控地生成携带随时间快速变化光子横向轨道角动量的光学时空波包的可行性。在该实验中产生的时空波包具有两个拓扑荷分别为+1和-1的时空涡旋，分别对应+1和-1的光子横向轨道角动量。这两个时空涡旋的时间间距在0.5ps（2THz)到1ps (1THz) 间精确可控。后续的实验研究可望实现更短的时间间距（<100fs）、更多的时空涡旋数目以及更高的拓扑荷。这种携带时变轨道角动量的时空波包在超快光开关、超高速光通讯以及光子轨道角动量与微纳米结构的超快作用中具有潜在的应用价值。
文章来源：C. Wan, J. Chen, A. Chong, and Q. Zhan, “Generation of ultrafast spatiotemporal wave packet embedded with time-varying orbital angular momentum,” Science Bulletin, https://doi.org/10.1016/j.scib.2020.04.037 (2020).
图1 携带时变轨道角动量的超快时空波包的产生。a）时空波包与参考脉冲的干涉图案；b）包含时间间距为1.00ps且拓扑荷分别为+1,-1的两个时空涡旋的时空波包；c）包含时间间距为0.74ps且拓扑荷分别为+1,-1的两个时空涡旋的时空波包；d）包含时间间距为0.51ps且拓扑荷分别为+1,-1的两个时空涡旋的时空波包。
供稿：光电学院
