近日，中國科學院上海光學精密機械研究所強場激光物理國家重點實驗室和空天激光技術與系統部，聯合復旦大學、海南大學等，在時空渦旋串研究方面取得進展。相關成果以Spatiotemporal vortex strings為題發表在《科學進展》（Science Advances）上。
渦旋光不僅攜帶軌道角動量（OAM），而且具有獨特的光學性質，在微觀粒子操控、大容量光通信、超分辨成像等方面具有廣泛應用。時空渦旋（STOV）是攜帶橫向軌道角動量的新型光學渦旋，在各種光學現象中表現出新奇特性，近年來備受關注。目前，利用4f整形系統能夠可控地產生時空渦旋光。然而，傳統的時空渦旋光通常只攜帶一種OAM模式，一個脈沖攜帶多個橫向OAM模式的“時空渦旋串”尚未見報道。此外，時空渦旋串的相位在時域上快速變化，因此使用目前最常用的STOV測量方法（掃描干涉法和瞬態光柵光譜干涉法）探測波包中的所有OAM 模式是比較困難的。
該研究產生了攜帶多個OAM模式且拓撲荷可控排列的時空渦旋串，從理論和實驗上驗證了一個超快光脈沖可以加載幾十個STOV。利用衍射方法，研究人員一次性讀出了脈沖內所有STOV的拓撲荷排列，實現了時空渦旋串的快速、并行檢測。基于時空渦旋串，該研究還提出了新的光通信編碼/解碼方法，即多態橫向OAM鍵控技術，利用攜帶2種OAM態、16個STOV的時空渦旋串實現了128×128的上海光機所所標的傳輸，演示了這種新型結構光在光通訊中的應用。
該研究將一個脈沖內加載的STOV從一兩個拓展到幾十個，并利用衍射方法實現了波包中所有STOV的一次快速檢測，提高了信息編碼和解碼的能力。關于數據傳輸的應用展示證實了時空渦旋串作為信號傳輸載體的優勢。
研究工作得到國家自然科學基金委員會、中國科學院、上海市科學技術委員會等的支持。