軌道角動量指向可控的緊聚焦時空波包（特邀）

莫德威，曾永西，陳國梁，滕厚安，陳建，2，3，詹其文，2，3

（1 上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093）

（2 上海理工大學 上海市現代光學系統重點實驗室，上海 200093）

（3 張江實驗室，上海 201204）

0 引言

光子不僅攜帶沿著傳播方向的線性動量，也攜帶與圓偏振相關的自旋角動量（Spin Angular Momentum， SAM）和與光束螺旋相位相關的軌道角動量（Orbital Angular Momentum， OAM）。1992 年，ALLEN L 等［1］證明了拉蓋爾-高斯光束中存在OAM，這種中心具有相位奇點和零強度的渦旋光束，其螺旋相位可以用exp(ilφ)來表示，其中l為拓撲荷，φ為方位角。OAM 可以極大地擴展光的自由度，在光鑷［2］、量子信息［3］、光通信［4］、粒子捕獲［5］和超分辨顯微成像［6］等方面都有著很廣泛的應用。

早期，對渦旋光束的研究主要集中于空間域中的縱向OAM，其方向平行于光束的傳播方向［7］。VISWANATHAN N K 等［8］提出了一種基于雙模光纖的光束轉換器來生成矢量光束，對輸出光束的偏振分析展示了產生的不同模式的光束中縱向光渦旋的存在。HERNANDEZ-GARCIA C 等［9］通過理論計算，揭示了極紫外諧波渦旋的產生以及其受傳播效應的影響，并展示了結合OAM 和高次諧波鎖相產生阿秒極紫外光渦旋的可能性。GARCIA-GARCIA J 等［10］提出了一種簡單且高質量產生完美光渦旋的改進技術，并用光學捕獲微小粒子的應用實例說明了該技術的有效性。LI Xinzhong 等［11］基于相位乘法和任意模控技術生成了高階光渦旋晶格，晶格中每個光渦旋的拓撲荷數可控，最高可達51，為操縱微納粒子提供了足夠的OAM；此外晶格可被調制為期望的任意模式。

近期，研究表明可通過引入時間域內的相位變化產生具有橫向OAM 的時空光渦旋（Spatiotemporal Optical Vortex， STOV），其OAM 軸線垂直于光束傳播方向。……