涡旋是自然界中普遍存在的液体、气体或其他形式的循环扰动。无论是湍急的水流、飞机翼尖周围的空气流、还是广袤无垠的星系，都可以找到涡旋的存在。在光学中，相位可以是涡旋状的，并且涡旋相位通常和光子的轨道角动量相关联。在光束横截面旋转一周的相位改变量与2Pi的比值称为拓扑荷。对于光强对称分布的涡旋光束，每光子携带的轨道角动量大小等于拓扑荷与约化普朗克常数的乘积，轨道角动量方向与涡线方向相同。

通常光学相位涡线的方向与光束传播方向相同，与之对应的光子轨道角动量称为纵向轨道角动量。最近的实验研究证明了光学相位涡线也可以垂直于光场传播方向，与之对应的光子轨道角动量称为横向轨道角动量。目前，任意倾角的光学相位涡线以及任意三维方向的光子轨道角动量还没有被实验证明。

上海理工大学詹其文教授课题组在National Science Review 2021年8月线上发表了题为“Photonic orbital angular momentum with controllable orientation”的论文，报道了通过同时调控超快波包中的时空涡旋相位和空间涡旋相位，可以获得复杂的三维相位结构，从而生成三维方向和大小都可以任意控制的平均光子轨道角动量。时空涡旋相位和空间涡旋相位的拓扑荷大小以及波包的三维形状都对平均光子轨道角动量产生影响。同时，这种三维任意取向的光子轨道角动量还可以在一个波包内进行快速变换，类似于一个三维矢量的光开关。因为角动量是光与物质相互作用的基本物理量，具有任意方向和大小的光子轨道角动量有望应用于自旋轨道耦合、光量子效应、相对论效应的研究以及光镊、光学扳手和新型光子器件的开发。这一工作也是首次在理论与实验上实现光场的空间域与时空域的联合调控，为光场调控领域的进一步发展提供的极为丰富的可能性。

该项研究得到了国家自然科学基金委“新型光场调控物理及应用重大研究计划”重点项目的支持。课题组未来的工作将专注于新型时空光场的生成、传输并进一步研究其与微纳结构的相互作用，探索新的光子学机理并开发相关的集成光子学器件。

携带任意三维方向光子轨道角动量的超快波包

论文链接：https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwab149/6352965