超强激光科学卓越创新简报
(第五百十六期)
2024年5月20日
上海光机所在时空涡旋串研究中取得重要进展
近期，中国科学院上海光机所强场激光物理国家重点实验室和空天激光技术与系统部，以及复旦大学、海南大学等单位合作，在时空涡旋串研究中取得重要进展。相关成果以“Spatiotemporal vortex strings”为题发表在Science Advances上。
涡旋光不仅携带轨道角动量（OAM），而且具有独特的光学性质，因此在微观粒子操控、大容量光通信、超分辨成像等方面具有广泛应用。时空涡旋（STOV）是携带横向轨道角动量的一种新型的光学涡旋，在各种光学现象中表现出新奇的特性，因此近年来备受关注。目前，利用4f整形系统能够可控地产生时空涡旋光。然而，传统的时空涡旋光通常只携带一种OAM模式，一个脉冲携带多个横向OAM 模式的“时空涡旋串”尚未见报道。此外，时空涡旋串的相位在时域上快速变化，因此使用目前最常用的 STOV 测量方法（扫描干涉法和瞬态光栅光谱干涉法）探测波包中的所有 OAM 模式是比较困难的。
在该研究中，研究团队成功产生了携带多个OAM模式且拓扑荷可控排列的时空涡旋串，实验装置如图1所示。该研究从理论和实验上验证了一个超快光脉冲可以加载几十个STOV。图2展示了具有随机拓扑荷排列、携带28个STOV的时空涡旋串的结果。利用衍射方法，一次性读出了脉冲内所有STOV的拓扑荷排列，实现了时空涡旋串的快速、并行检测。基于时空涡旋串，研究团队还提出了一种新的光通信编码/解码方法，即多态横向 OAM 键控技术（multi-state transverse OAM shift keying，MS-TOAMSK），利用携带2种OAM态、16个STOV的时空涡旋串实现了128×128的上海光机所所标的传输（图3），演示了这种新型结构光在光通讯中的应用。
该研究将一个脉冲内加载的STOV从一两个拓展到几十个，并利用衍射方法实现了波包中所有STOV的一次快速检测，极大地提高了信息编码和解码的能力。关于数据传输的应用展示证实了时空涡旋串作为信号传输载体的优势。相关结果得到Science Advances审稿人的高度评价：主要结果相当有趣和新颖（“quite interesting and novel”）；基于时空涡旋的图像编码和传输令人印象相当深刻（“quite impressive”）；这是第一次展示时空涡旋光的用途（“It is the first time that the usefulness of STOVs is demonstrated…”）。
相关研究得到国家自然科学基金委、中国科学院、上海市科委等项目的支持。
图1. 时空涡旋串的产生和探测装置示意图。
图2. 携带28个STOV的时空涡旋串的衍射图像及产生该涡旋串所用的相位图。（A）用于产生具有随机拓扑荷排列、携带28个STOV的时空涡旋串的相位图；（C）和（D）分别为理论模拟结果和实验测量的该涡旋串的衍射图像；（B）用于产生具有随机正负一阶拓扑荷排列的时空涡旋串的相位图；（E）为实验测量的该涡旋串的衍射图像。
图3.（A）基于时空涡旋串的信息编码解码原理示意图;（B）发射和（D）接收的上海光机所所标；（C）数据传输过程中第100帧时空涡旋串所对应的相位图和衍射图，解码的拓扑荷序列用绿色数字表示。
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