近日，南京大学徐挺教授、陆延青教授团队与北京大学彭超教授合作，在时空光场调控方面取得重要进展，利用倾斜纳米光栅对称性破缺所引起的固有拓扑奇异性，在自由空间中实现了时空光学涡旋的高效产生。
时空光涡旋是一种携带横向轨道角动量的新型结构光束，它可以在空间和时间维度上同时控制能量流，因此在超快光与物质相互作用中具有重要意义。近年来尽管在时空光涡旋的产生方面取得了显著的进展，但现有的方法要么依赖于低效的非线性效应，要么需要庞大而复杂的脉冲整形配置，这极大的限制了时空光涡旋在集成光学中的广泛研究和应用。
这项工作中，研究团队从理论上提出并实验证明了一种在倾斜纳米光栅组成的微尺度平台上产生时空光涡旋的简便方法。当系统处于高对称性时，布里渊区中心Γ点呈现为具有无穷高质量因子的BIC模式，而当系统面内C2对称性和Z-镜面对称性同时破缺时，BIC会转换为QBIC模式，从而解锁了与外场的能量交换通道，此时中心点的时间反演不变性确保其在动量-频率空间中呈现出一个带有螺旋相位的零值透射奇点，这使得入射光脉冲无需进行时频变换或空间位置的对准即可非局部地产生时空光涡旋。通过使用持续时间为80 fs，中心波长为800 nm的飞秒激光脉冲，在无需任何复杂光学对准的条件下，团队在实验上成功地观察到了所产生的飞秒级时空光涡旋，其产生效率高于40%。
图1.对称性破缺引起的拓扑奇点的起源。
图2. 时空光学涡旋的观察和表征。
该工作在纳米倾斜光栅芯片上实现了时空光涡旋的高效产生。从科学的角度，该工作证明了这种相位奇点在C2对称性和Z-镜面对称性同时破缺下，在动量-频率空间中具有拓扑鲁棒性，从而使得时空光涡旋成为操纵光波的新自由度。在技术方面，该工作提出了一种简单紧凑的方法来产生时空光涡旋，从而大大降低了系统的复杂性，显著提高了生成效率，并为时空波包操纵的集成系统铺平了道路。
研究成果以“Observation of spatiotemporal optical vortices enabled by symmetry-breaking slanted nanograting”为题，近期发表于Nature Communications上。南京大学现代工程与应用科学学院副研究员霍鹏程博士为论文第一作者，南京大学陈伟博士和北京大学张子璇博士为共同一作，通讯作者为南京大学徐挺教授，陆延青教授及北京大学彭超教授。