导语光不仅具有颜色和亮度还隐藏着一种被称为“拓扑荷”的深邃属性。它描述了光波相位在空间中的螺旋结构为光束赋予了额外的“角动量”。当这种螺旋结构不仅存在于空间还延伸到时间维度时便诞生了一种名为“时空光学涡旋”的新型光场。近日一项发表于国际顶级期刊《Nature Communications》的研究成果在这一领域取得了里程碑式的突破(https://doi.org/10.1038/s41467-026-75464-0)。核心突破突破一拓扑荷从1跃升至40此前对时空光学涡旋频率转换的研究仅限于拓扑荷l1的最简单情况。而本研究成功生成了拓扑荷高达l40的时空光学涡旋并在频率转换过程中观察到拓扑荷的倍增效应在倍频过程中拓扑荷遵循l⁽²ᵒᵐᵉᵍᵃ⁾_2_l⁽ᵒᵐᵉᵍᵃ⁾_的规律即拓扑荷加倍在和频三次谐波过程中拓扑荷遵循l⁽³ᵒᵐᵉᵍᵃ⁾_3_l⁽ᵒᵐᵉᵍᵃ⁾_的规律即拓扑荷三倍这意味着当输入一个拓扑荷为40的基频光时可以产生拓扑荷为80的倍频光——这是迄今为止报道的最高拓扑荷的时空光学涡旋。突破二波长从近红外拓展到紫外通过级联两块BBO非线性晶体研究团队首先将800纳米的基频光倍频至400纳米再通过和频过程产生266纳米的紫外三次谐波。更重要的是通过调节相位奇点在光谱中的位置和非线性晶体的相位匹配角度研究者实现了二次谐波在393纳米至409.5纳米范围内连续可调三次谐波在263纳米至274纳米范围内连续可调突破三揭示拓扑荷守恒的普适规律实验证实在倍频和和频等非线性光学参量过程中时空拓扑荷严格守恒。这一普适规律的发现为理解和预测其他非线性光学过程中的拓扑荷演变提供了理论指导。研究意义这项研究的意义远不止于创造了一个新纪录。它揭示了时空拓扑荷在非线性频率转换过程中的普适守恒定律为未来光场调控提供了坚实的理论基础。这项技术突破有望在多个领域催生革命性应用1.超高容量光通信拓扑荷可以作为新的信息维度极大地提升光纤通信的容量。2.新型光镊与粒子操控高拓扑荷的STOV能产生更强的轨道角动量可用于操控微观粒子甚至实现微观粒子的“纺丝”。3.阿秒科学与超快探测紫外波段的STOV为研究原子分子内部电子超快动力学提供了前所未有的工具。4.量子信息处理高维拓扑态可作为量子比特的载体提升量子密钥分发的安全性。该团队的实验证实即使在拓扑荷高达40的极端条件下STOV的拓扑结构依然能被完美地保留和转换。正如论文通讯作者所说“我们的发现为产生波长可调谐、拓扑荷可控的紫外时空涡旋光提供了一条直接且有效的途径。”随着这项技术的进一步成熟一个由“涡旋光”主导的紫外新视界正向我们走来。图1用于产生入射STOV场谐波的实验装置图2800nm基频STOV场的实验观测图3不同波长STOV光束在横向方向上的光谱测量图4二次谐波STOV场的产生图5二次谐波与三次谐波STOV场的能量定标关系图6三次谐波STOV场的产生【注】小编水平有限若有误请联系修改若侵权请联系删除
