光作为一种电磁波，具有能量和动量。除了人们早已熟知的沿光束传播的线动量外，光也可以携带角动量，包括由偏振决定的自旋角动量和空间光场分布决定的轨道角动量。当激光光束在空间上具有螺旋形的波前时，它具有沿光束传播方向的纵向轨道角动量并被称作涡旋光。涡旋光一直是光学领域的一个研究热点，因为其独特的螺旋相位以及中空光场，它在光束通讯、量子信息、超分辨成像、光镊等领域都具有重要的应用价值。
时空光学旋涡（spatiotemporal optical vortex，STOV）是当前光学中相当活跃的、新的研究方向。与传统的空间涡旋光所不同，这种时空调制的脉冲包络在空间和时间维度具有甜甜圈形状的振幅以及螺旋型相位，从而具有横向的轨道角动量。时空光学旋涡所携带的横向轨道角动量，为操控光场提供了一个全新的自由度，其传播过程类似于一个快速移动的飓风，在高速光通信、光力操控和新型光电器件等领域有重要的技术应用。由于STOV的产生需要对入射光脉冲的空间分布和时间变化进行协同耦合调制，所以如何在实验上制备STOV存在挑战。近期，利用脉冲整形器，科学家们设计实验系统成功产生并探测了STOV，展示了一个全新的光场态，为之后在光的横向轨道角动量以及STOV应用方面的研究提供了基础，但由于脉冲整形器通常包含复杂的光学系统和宏观尺寸的光学元件，因此在集成和可拓展性方面存在困难。
最近，阮智超教授团队提出了镜面对称性破缺的微纳超表面结构，通过在空间-时间维度设计光学微分器，产生了具有横向轨道角动量的STOV，并展示了其在时空信号“突变探测”方面的应用。首先，论文在理论上分析提出，打破器件的空间镜面对称性是对于正入射脉冲产生STOV的必要条件（图（a）），并依据该条件设计了仅由两个不同尺寸的硅柱以及硅基底为单元的一维周期性光栅结构器件。在波矢-频率维度，器件传递函数的振幅分布在正入射以及脉冲的中心频率位置为零点，在一定带宽范围内关于波矢以及频率为线型，相位分布为拓扑荷数等于-1的、非平凡的涡旋形式（图（b，c）），这意味着该器件对应于空间-时间维度的光学微分器。仿真表明，对于在空间和时间维度振幅均为高斯分布，相位均匀分布的脉冲正入射器件，出射光束为在空间和时间维度具有甜甜圈形状的振幅分布以及拓扑荷数等于+1的螺旋型相位包络的脉冲（图（d, e）），从而证明了该器件成功制备了STOV。更有趣的是，当输入的脉冲为任意振幅调制的分布时，这种空间-时间维度的光学微分器也能用于产生STOV。例如，输入脉冲在空间-时间维度的振幅分布为图(f)所示的“浙江大学”图样时，对应的相位分布如图(g)所示并不含有STOV。而模拟结果显示，输出脉冲的振幅分布对应于输入脉冲的突变部分，形成高亮结果（图(h)）。这是由于相位分布中大量相邻的STOV在突变区域相互之间的干涉增强，以及在缓变区域的干涉相消造成的（图(i)），因此器件可以用于探测时空信号的突变，这也是目前已报导STOV的首个应用范例。进一步的分析表明该器件的突变高亮效果在空间与时间的分辨率分别为18μm以及182fs，因此具有高分辨率和超快速检测的巨大优势。
研究成果发表于《Laser & Photonics Review》期刊，博士生黄隽奕、张佳豪为共同第一作者，通讯作者是阮智超教授。该研究依托量子交叉中心、现代光学仪器国家重点实验室、浙江省量子技术与器件重点实验室等平台，得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金委等项目的大力支持。【J. Y. Huang, J. H. Zhang, T. F. Zhu, and Z. C. Ruan, Spatiotemporal Differentiators Generating Optical Vortices with Transverse Orbital Angular Momentum and Detecting Sharp Change of Pulse Envelope, 2100357, 2022】。
图（a）利用空间镜面对称破缺的微纳超表面结构产生STOV，其中入射的脉冲为均匀相位，出射的脉冲对应于携带横向轨道角动量的STOV。图（b）、（c）分别为器件传递函数的振幅和相位分布。图（d）、（e）分别为在时间和空间维度振幅均为高斯分布的脉冲入射器件后所对应的出射的振幅和相位分布。图（f）、（g）分别为不含有STOV的脉冲入射振幅以及相位分布，图（h）、（i）为对应的出射分布。