摘要
涡旋是自然界中普遍存在的旋转扰动现象，其尺度范围可从玻色-爱因斯坦凝聚态中的微观尺度延伸至螺旋星系的宇宙级尺度。光学涡旋通常与螺旋相位相关联，能够携带轨道角动量（OAM）。当螺旋相位在空间域中扭曲时，光学OAM呈纵向分布；而当相位在时空域中旋转时，则形成横向OAM。本文通过实验演示了波包中时空涡旋与空间涡旋的交叉现象。这种交叉作用使波包产生倾斜的轨道角动量，为光子轨道角动量的应用提供了新的自由度。
关键词：轨道角动量，时空涡旋，空间涡旋，螺旋相位
引言
涡旋作为自然界普遍存在的循环扰动现象，广泛存在于流体、气体及其他介质中。从湍流水体、翼尖环流到旋涡星系乃至光学领域均可观察到其存在[1]。光学涡旋通常与具有零强度相位奇点的螺旋波前相关联。这种扭曲波前会产生坡印廷矢量的方位角分量，从而形成沿光束轴线方向的轨道角动量（OAM）。每个光子携带𝑙ℏ的OAM，其中ℏ为约化普朗克常数，l为整数（通常称为拓扑荷）[2]。涡旋光束与光学OAM的关联推动了大量理论与实验研究，并在经典光学和量子光学领域获得了广泛应用[3-10]。
近期理论研究证实，光学OAM不必局限于纵向分布，而是可以相对于光轴发生倾斜[11,12]。这种倾斜OAM可通过接近光速运动的观测者实现。实验进展表明，在超高功率激光脉冲与空气的非线性相互作用中，部分光能量可在时空平面内循环[13]。与空间域螺旋相位相关的纵向OAM不同，横向OAM源于时空域中垂直于传播方向的螺旋相位。尽管已有实验探索，但在时空平面内对具有循环坡印廷矢量的螺旋相位进行线性调控仍具挑战性。这一难题近期通过在场空间-时频域构建螺旋相位，并借助二维时空傅里叶变换在时空域保持该相位得以突破[14-16]。
文献中已有空间涡旋交叉的报道[17]，但其相互作用动力学仅局限于交叉点，未能随光束传播。本工作通过实验演示了光波包中时空涡旋与空间涡旋的交叉现象。该波包同时包含螺旋位错与刃型位错。两类光学涡旋的交叉揭示了以光速传播的三维能量流的有趣特性。时空涡旋携带的横向OAM与空间涡旋携带的纵向OAM相结合，产生了相对于光轴的倾斜OAM。该三维OAM在自由空间传播过程中保持每光子平均角动量不变，且其数值和方向可通过两类涡旋的拓扑荷实现精确调控。
理论基础
光学涡旋基本原理
光学涡旋是电磁波中的相位奇点，该处相位无法定义且强度降为零。这些奇点由其拓扑荷表征，决定了奇点周围2π相位循环的数量。光学涡旋光束的数学描述通常采用拉盖尔-高斯模式，其中包含螺旋相位项exp(ilφ)，l代表拓扑荷，φ表示方位角。
光子学中的轨道角动量
光的轨道角动量（OAM）源于光学涡旋的螺旋相位结构。携带OAM的光束中每个光子都具有lℏ的角动量，其中l为拓扑荷。该OAM与圆偏振相关的自旋角动量有本质区别。此类光束中的坡印廷矢量沿螺旋轨迹运动，从而形成特征性的轨道角动量。
时空涡旋特性
时空涡旋是涡旋物理领域的新进展，其相位奇点不仅存在于空间域，还随时间演化。这类涡旋能够携带横向OAM，即角动量矢量垂直于传播方向。时空涡旋的产生通常需要对光脉冲的空间和时间自由度进行协同调控。