时空涡旋光束(STOVs)是一类特殊的结构光，因其时空域的能量环流以及光子横向轨道角动量受到了学术界越来越多的关注。近来，通过 4f脉冲整形器等线性方案来实现可控STOVs产生的工作，进一步推动该方向成为研究热点之一。在线性产生和调控STOVs的诸多研究之外，国际上的一些研究团队研究了STOVs的倍频过程，揭示了非线性频率转换过程中横向轨道角动量的守恒机制。然而，通过非线性过程产生STOVs的研究尚未见相关报道。

图1. 通过非线性光子晶体产生STOVs的示意图

    最近，南京大学胡小鹏教授课题组提出了一种在非线性光子晶体中产生STOVs的新方案。入射光是线性啁啾的近红外飞秒脉冲光，通过铌酸锂 (LiNbO3)非线性光子晶体后产生设定拓扑荷数的倍频STOVs（图1）。通过光学逆变换的设计方法，得出非线性晶体的二阶非线性系数的空间分布，发现其在纵向呈现啁啾周期结构，非线性系数的振幅和相位都受到调制，并且晶体沿特殊方向存在相位的突变（见图2 (a) (d)）。

图2. (a)-(c) 振幅-相位调制型超晶格示意图及对应的倍频STOV能场相位分布; (d)-(f) 相位二值调制的超晶格示意图及对应的倍频STOV能场相位分布。

    利用逆变换得到的非线性光子晶体结构，研究团队通过数值模拟实验进行了验证，数值结果和理论保持一致。

    这一工作为实验上非线性产生和操控时空涡旋光束奠定了基础。研究成果已以“Generation of spatiotemporal vortices in nonlinear photonic crystals”为题发表在《Optics Letters》48(22), 5951-5954 (2023)，南京大学博士生刘世强为论文的第一作者。

课题组供稿。