定制等离子体涡旋的时空动力学特性

图1. 由不同耦合器产生的具有相同拓扑电荷的等离子体旋涡的时间演变过程示意图。(a-c)样品1通过改变狭缝谐振器的方向角只引入了几何相位。(d-f)样品2通过改变狭缝对的径向位置同时引入了几何相位和传播相位。资料来源：《光电子学进展》（2022）。DOI: 10.29026/oea.2023.220133

《光电子学进展》的一份新出版物讨论了定制质子漩涡的时空动力学。

质子涡旋是一种具有拓扑学特征的光场分布，由相互干扰的表面质子形成，它丰富了自然界中的涡旋现象类别。由于其在蒸发场区域的特殊轨道角动量特征，质子涡旋在许多前沿应用中拥有巨大的前景，如用于微粒子操作的质子镊子和片上量子信息处理。

因此，近十年来，质子涡旋的产生方法和演化动力学引起了人们极大的研究热情，对质子涡旋的性质有了许多深入的了解，并迅速推动了相关应用的发展。

对于质子涡旋的产生，最常见的方法是构建特殊的耦合器，利用传播相位和几何相位的设计自由度，将携带自旋角动量的圆偏振光转换成片上质子涡旋。尽管单独或联合使用传播相位和几何相位都可以实现目标拓扑电荷的等离子体涡旋，但它们的时空动力学的实际差异仍未被探索。

对于表征方法，目前使用的光发射电子显微镜和非线性近场光学显微镜受到探测原理和光学系统的限制，因此难以获得准确的演化动态。本文所记录的研究主要集中在对等离子体涡旋的客观表征上，而对其时空动力学的主观定制，在具体应用上还没有实现。

来自天津大学、桂林电子科技大学的研究小组和本文的作者提出了一种新的方法来定制等离子体涡旋的时空动力学。研究表明，通过简单地改变耦合器的设计，具有相同拓扑电荷的质子旋涡可以被赋予不同的时空动态（图1）。在近场扫描太赫兹显微镜的基础上，直接获得了表面质子场的全部振幅和相位信息以及具有超高时间分辨率的精确演化动力学。

图2. 设计的结构示意图和相应的数值结果。样品1（a-c）和样品2（d-f）的耦合器设计和相应的强度场和相位分布。样品1和样品2的归一化振幅场（g，i）和目标轨道上提取的绝对振幅值（h，j）的快照。资料来源：《光电子学进展》（2022）。DOI: 10.29026/oea.2023.220133

在正交狭缝对的基础上，该小组设计了两个质子涡流耦合器，以产生具有相同拓扑电荷（l = 4）的质子涡流。通过引入不同的传播相位和几何相位，产生的等离子体涡旋的时空动态可以完全不同。为了从数值上揭示等离子体涡旋寿命中的形成、旋转和衰减阶段的过程，该小组将二维惠更斯-菲涅尔原理推广到时域，并得到了等离子体涡旋场分布的时间分辨快照（图2）。

虽然两个耦合器在频域的表现相似，但就强度和相位分布而言，两个质子旋涡的时空动态具有明显的特征。如图所示，表面等离子体场在同一旋转轨道上同时达到和衰减（样本1）或先后达到（样本2），这对应于所携带的轨道角动量在时空分布上的均匀性或分解性。

基于近场扫描太赫兹显微镜的研究结果以超高的分辨率（中心频率下~1/66的光周期）揭示了质子涡旋的精确时空演化动态，并在实验中验证了基于不同质子涡旋耦合器设计在时域内定制质子轨道角动量的可行性。

这项关于质子涡旋的独特生成和演化行为的研究对于与时变特性相关的实际应用具有重要意义。在空间和时间维度上对轨道角动量的操纵将为质子镊子和片上信息处理提供一个新的设计自由度和更高的精度。此外，所提出的策略是通用的，可以直接应用于红外和可见光系统，为探索等离子体旋涡的更多内在性质和潜在应用提供了新的方法。