时空非分离螺旋脉冲(SNHPs)的首次实验观测：从光学到微波的拓扑波操控新突破

《Nature Communications》：Observation of helical pulses

本刊推荐：为解决时空非分离螺旋脉冲(SNHPs)实验制备难题，研究人员开展了光学与微波双谱域SNHPs生成研究。通过偏振分解法获得准线性偏振光学SNHPs，利用超宽带螺旋辐射器直接产生单周期非横波微波SNHPs，实验验证了其时空非分离特性与螺旋拓扑结构，为光场调控与光通信提供了新平台。

　　

在结构化光场研究领域，光学涡旋(optical vortices)作为携带轨道角动量(orbital angular momentum, OAM)的特殊波前，三十余年来在光学镊子、量子通信等领域展现出巨大潜力。然而当研究尺度从连续波拓展至超快脉冲时，如何实现兼具少周期持续时间与时空非分离特性(space-time nonseparability)的螺旋脉冲(helical pulses)，始终是物理学家面临的实验挑战。这类被称为时空非分离螺旋脉冲(space-time nonseparable helical pulses, SNHPs)的新型波包，因其具有拓扑稳定的奇点结构和手性行为，被认为是推动高容量光通信和超快光学发展的关键载体。

尽管Ziolkowski于1989年首次提出麦克斯韦方程组的时空非分离解，Lekner在2004年通过引入方位角依赖关系推导出SNHPs理论模型，但实验制备始终未能实现。本研究通过光学与微波双路径创新方法，在《Nature Communications》首次报道了SNHPs的实验观测，突破了时空拓扑波操控的技术瓶颈。

研究团队采用两项关键技术路径：通过偏振转换表面对光学环状脉冲(toroidal pulses)进行偏振分解，获得准线性偏振SNHPs；利用双臂阿基米德螺旋辐射器直接产生非横波(non-transverse)微波SNHPs。实验系统包含钛宝石激光器(10 fs脉冲宽度)驱动的光学表征平台，以及1.5-8.5 GHz频段的微波近场测量系统。

SNHPs理论推导

基于波动方程(?²-c^-2?_t²)f(r,t)=0的标量生成函数f(r,t)，通过参数化构建获得具有拓扑数?的脉冲解。当矢量势A=?×[f,0,0]时产生准线性偏振SNHPs，A=?×[-if,f,0]时形成非横波拓扑。

准线性偏振光学SNHPs观测

通过四分之一波片和线性偏振器对TM环状脉冲进行偏振分解，边缘衍射实验显示波长730-880 nm范围内均出现环形强度分布和Y形衍射图样，证实光学涡旋存在。时空重构显示few-cycle螺旋结构与理论预测一致，并发度(concurrence)和纠缠形成(entanglement of formation)测量表明具有强时空非分离性。

非横波微波SNHPs生成

螺旋辐射器产生的Ey分量呈现双瓣单周期螺旋拓扑，Ez分量显示四瓣螺旋结构。空间频谱测量显示频率1.5-8.5 GHz范围内符合等衍射特性，态层析矩阵测量保真度超过0.8，传播过程中时空非分离性持续增强。

研究证实SNHPs具有四大特征：麦克斯韦方程组的时空非分离解、单周期脉冲持续时间、多样化的时空螺旋拓扑、以及非横电磁波特性。光学实验实现了螺旋结构和时空非分离性，微波系统则完整验证了单周期持续时间、非横波特性等核心判据。这项工作为光与物质相互作用、光学微操纵等领域提供了新型调控工具，其时空非分离特性有望推动光通信技术发展。通过双谱域验证的SNHPs生成方法，为拓扑光子学开辟了新的实验范式。