OES封面丨多边形广义完美时空光学涡旋：解锁时空涡旋光场调控新维度。

　　 Opto-Electronic Science封面论文推荐西北工业大学梅霆教授团队联合深圳大学袁小聪教授、 张聿全副教授团队 ，创新性地提出了广义完美时空光学涡旋 (GPSTOVs)这一概念 ，为时空涡旋光场调控引入了新的自由度 ，在多种光学应用中展现出巨大的潜力 ，包括光通信 、粒子操控以及其他需要对超快光脉冲进行精确时空调控的领域。

　　 封 面 文 章 Zhang SS, Zhou ZY, Wei QY et al. Polygonal generalized perfect spati otemporal opti cal vorti ces. Opto-Electron Sci 5, 250041 (2026).

　　 第一作者：张硕硕

　　 通信作者：梅霆，张聿全

　　 研究背景

　　 在空间和时间维度对光场进行精细调控，可为众多科学与技术领域带来前所未有的发展机遇，如非线性光学、量子信息处理等。近年来，时空结构化光场研究取得了显著进

　　 展 。其中， 时空光学涡旋(STOVs)因其独特的时空耦合结构以及所携带的横向轨道角动量而备受关注。与空间光学涡旋类似， STOVs通常在x-t平面呈现环形强度分布 ，其环半径与拓扑荷之间存在显著依赖关系 ，这限制了其在多涡旋叠加场景中的应用。为克服这一局限 ，研究人员提出了完美时空光学涡旋(PSTOVs) ，其强度分布保持恒定 ，与拓扑荷无关。

　　 尽管PSTOVs实现了光束尺寸与拓扑荷之间的解耦 ，但现有研究多集中于最简单的环形结构 ，并且其产生依赖于时空复振幅调制技术。这类方法需要对入射脉冲的振幅和相位进行同时调控， 因此会引入显著的能量损耗 ，尤其在拓扑荷较大时更为明显。如何高效地产生具有可控时空分布的PSTOVs目前仍是一个亟待解决的关键问题。

　　 本文亮点

　　 针对上述问题 ，西北工业大学梅霆教授团队联合深圳大学袁小聪教授、 张聿全副教授团队， 创新性地提出了 广义完美时空光学涡旋 (GPSTOVs)这一概念 。 作为一类新型的PSTOVs， GPSTOV脉冲同时具备两大显著优势 ：其一 ，其光束尺寸不依赖于拓扑荷；其二 ，其时空轮廓高度可控。在方法上 ，该团队突破传统复振幅调制思路 ，提出了一种基于纯相位调制的全新生成策略。该方法的核心是在时空频率域中编码一个具有可控形状的数字锥透镜与涡旋相位 ，通过对锥透镜参数引入角向调制 ，实现对光场强度分布的灵活调控。从而 ，在保持 完美特性的同时 ，赋予光场更加丰富的结构形态。此外， 由于无需振幅调制 ，该方法在调制效率和能量利用率方面得到了显著提升。通过对相位参数的精确调控 ，研究团队成功实现了环形PSTOV脉冲(图1)以及多边形GPSTOV脉冲(图2)的高效生成 ，实验测得调制效率高达90%以上， 明显优于传统方法。

　　 图1环形完美时空光学涡旋的产生。(a)一(d)分别为拓扑荷?=2、4、6和8的完美时空光学涡旋的实验测量结果。左上图：x-t平面的强度分布；左下图：x-t平面的相位分布；右图：3D强度等值面分布。(e)和(f)分别展示了空间半径与时间半径随拓扑荷?的变化关系。

　　 除了概念层面的创新外， GPSTOV脉冲还凭借其可控的几何形状 ，为时空涡旋光场调控引入了新的自由度 ，从而在多种光学应用中展现出巨大的潜力 ，包括光通信、粒子操控以及其他需要对超快光脉冲进行精确时空调控的领域。理论上 ，本研究提出的概念与物理机制还可进一步推广至电磁场之外的其他波动系统 ，如声波、 电子波和水波等 ，具有一定的普适性。

　　 图2多边形广义完美时空光学涡旋的产生。(a)和(b)分别为拓扑荷?=2和6的多边形广义完美时空光学涡旋的实验测量结果。其中，上下两行分别代表x-t平面的强度分布与相位分布。(c)和(d)为沿(a)和(b)中虚线位置提取的1D强度曲线对比结果。

　　 该工作得到了国家自然科学基金项目(项目号62375177， 12174310， 62575184 ， 12474294 ， 12534017) 的 支 持 ， 以 Polygonal generalized perfect spatiotemporal optical vortices 为题发表在Opto-Electronic Science (光电科学 ， OES) 2026年第3期 ，并被选为封面文章 。 山东理工大学满忠胜教授对该工作提供了重要指导。

　　 研究团队简介

　　 西北工业大学纳米光子学研究团队成立于2013年 ，现有教授2人(梅霆、 张文定)、 副教授1人(孙立勋) 、博士后1人(张硕硕) ， 以及博士、硕士研究生共25人 。 团队研究方向主要集中于纳米增强光谱术 、 手性传感器件 、 相变材料与可重构器件 、光子人工神经网络等方面 。 相关研究工作发表在Advanced Functional Materials、 Opto-Electronic Advances、 Advanced Photonics Nexus、 Nano Letters、 Advanced Optical Materials等国际期刊 。 多项研究工作得到国家自然科学基金重大研究计划重点支持项目 、 国家自然科学基金面上项目等基金支持。

　　 深圳大学纳米光子学研究中心由袁小聪教授于2013年成立，长期致力于微纳尺度光场调控、光场模式复用与光互连、光声病理诊断、新型光镊技术、高灵敏传感与超分辨显微成像等前沿基础科学问题与应用技术研究。中心现有全职教师近20人，团队成员包括欧洲科学院院士、教育部长江学者、基金委优秀青年、教育部新世纪优秀人才、广东省领军人才以及深圳市海外高层次人才等 。 自2013年以来 ， 已发表SCI论文400余篇 ， 包括 Nature Physics、 Nature Communications、 Science Advances、 PNAS、 Advanced Photonics、 Light: Science Applications、 Physical Review Letters 等国际顶级期刊。

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来源：光电期刊