在許多情況下，光沿著直線傳播，沿途沒有發生太多事情。但光也可以隱藏複雜的模式和行為，只有細心的觀察者才能發現這些模式和行為。這是可能的，因為光的行為就像波，其特性在幾個有趣的現象中發揮了作用。其中一個這樣的屬性是相位，像起伏的波浪，當兩個光波相遇並且不同相位時，它們可能會相互干擾，結合在一起形成錯綜複雜的圖案。
相位是光波如何相互作用以及能量如何在光束或脈衝中流動所不可或缺的。馬里蘭大學研究人員在UMD物理學教授霍華德·米爾奇伯格(Howard Milchberg)的領導下，發現了光的相位，可以形成光學旋渦的新方法，即被稱為時空光學渦旋(STOV)的模式。在發表在《光學》期刊上的研究中，研究人員捕捉到了這些位於空間和時間中的相位渦旋的第一張照片，開發了一種觀察超快光脈衝的新方法。
每個時空光學渦旋都是一個具有特定強度模式（能量集中在哪裡）和相位的光脈衝。在米爾奇伯格和合作者準備的時空光學渦旋中，強度在空間和時間上形成了一個環路，研究人員將其描述為邊緣優先飛行的甜甜圈：如果你能看到脈衝向你飛來，你會看到甜甜圈的邊緣，而不是洞（請參見下面最左側的圖像，其中負值時間較早。在相同的空間和時間區域，光脈衝的相位形成一個漩渦圖案，在甜甜圈洞（最右邊的圖像）中心形成一個漩渦。
最早是由米爾奇伯格和同事發現了時空光學渦旋，當時他們發現了類似於在強激光束周圍形成的“光學煙環”結構。這些環的邊緣有一個變化的相位，就像圍繞煙環旋轉的氣流一樣。這項新研究中製造的漩渦，是一個類似但更簡單的結構：如果把最初的菸圈想象成一個由珠子製成的手鐲，那麼新的時空光學渦旋就像是單獨的珠子。先前的研究表明，時空光學渦旋為理解一種著名的高強度激光效應——自引導提供了一個優雅的框架。
在高強度時，當激光脈衝與其通過的介質相互作用，將自身壓縮成緊密的光束時，就會產生這種效應。研究人員表明，在這個過程中，時空光學渦旋負責引導能量流動和重塑激光，推動能量在其前面集中在一起，在其後面分開。最初發現觀察了這些環是如何在二維光束周圍形成的，但研究人員無法探索漩渦的內部工作原理，因為每個脈衝都太短太快，以前建立的技術無法捕捉到。
每個脈衝僅在飛秒內通過，大約比眨眼快100萬億倍。研究的合著者、UMD物理學博士後助理辛娜·扎赫普爾說：這些脈衝不是微秒甚至納秒的脈衝，只是用電子學來捕捉的，這些都是極短的脈衝，需要使用光學技巧來成像。為了捕捉新時空光學渦旋的強度和相位，研究人員需要準備三個額外的脈衝。第一個脈衝在薄玻璃窗口內與時空光學渦旋相遇，產生以時空光學渦旋強度和相位編碼的干涉圖案。
使用兩個更長的脈衝讀出該圖案，產生如上圖所示的數據。之前只研究了光的振幅，現在可以得到相位的全貌，這證明該原理適用於研究超快現象。時空光學渦旋可能具有對實際應用有用的彈性，因為它們扭曲的螺絲狀相位使它們對小障礙物具有很強的抵抗力。例如，當時空光學渦旋在空氣中傳播時，部分脈衝可能會被水滴和其他小顆粒阻擋。但隨著它們的繼續，時空光學渦旋往往會填補被擊倒的小部分：
以一種有助於保存脈衝中記錄的任何信息方式修復輕微的損傷。此外，由於時空光學渦旋脈衝如此短而快，它對空氣中相對較慢的正常波“無動於衷”。時空光學渦旋的可控產生，可能促使諸如信息的彈性傳播或光束能量在湍流或霧中的彈性傳播等應用。這些設備對於使用激光的自由空間光通信或從地面站向空中飛行器供電等應用非常重要。
博科園｜研究/來自：馬里蘭大學
參考期間《Optica》
DOI: 10.1364/OPTICA.6.001547
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