环环相扣：时空局域波包为横向轨道角动量提供新载体

近些年来，光子横向OAM的发现打破了人们以往对于OAM的认知，即OAM可以垂直于光传播方向，这也促使很多研究人员开展了对横向OAM原理及其应用的探索。

限制横向OAM应用的一个问题是携带横向OAM的波包的传播演化。以时空光涡旋（STOV）为例子，其结构的维持需要衍射和色散的平衡作用，但是这不可避免地带来了STOV波包尺寸的增大和功率的减小。

为了解决STOV的传播演化问题，本文提出了一类携带横向OAM的三维时空局域波包，可以解决传播过程中涡旋结构的扩散问题。

不携带横向OAM的时空局域波包以及提出的携带横向OAM并且满足时空包络演化方程的三维时空局域波包如图1所示。图1中的量子数参数(l, m)指代具有不同结构分布且相互正交的时空波包，其中，l表示角量子数，m表示时空波包所携带的横向OAM的拓扑值。

上述三维时空局域波包具有传播不变的特性。本文仿真了中心波长为1550 nm的时空波包在BK7介质中的色散-衍射平衡演化（此时衍射距离为180 mm）。图2(b)展示了(l, m) = (2, 1)的时空局域波包在色散介质下的传播演化，作为对比，图2(a)展示了携带拓扑荷的m=1的普通时空波包在相同条件下的传播演化。可以发现，携带横向OAM的时空局域波包即便在9倍的衍射距离下，依旧保持其强度形状，没有发生任何明显畸变或者扭曲，但是非局域时空波包的空间尺寸和时间尺寸迅速扩大。

此外，上述三维时空局域波包具有自恢复的功能。为了验证时空局域波包的自恢复特性，模拟时空局域波包通过一个完全吸收电磁场的矩形板（宽度约为600 μm），并在BK7（群速度色散β₂= -25.3 fs²/mm）玻璃中传播遮挡后的波包。图3(a)展示了负色散介质中遮挡波包在不同传播长度下（0、230、320、500 mm）的三维强度分布。可以看到，在自恢复作用下，扭曲的时空波包最后可以恢复到原来的时空局域波包。遮挡波包在Y-T平面上不同传播距离下的线性动量密度和强度分布如图5(b)所示，揭示了自恢复过程中波包能流的分布情况。

提出的携带横向OAM的三维时空局域波包避免了STOV在自由空间传播时的波包分裂现象，克服了波包尺寸展宽的问题。此外，此类波包具备三维空间自恢复的功能，可以避免横向OAM在三维空间传播过程中所发生的畸变，对于横向OAM的应用有着重要意义，有望应用于超快成像、光学通信以及量子光学等领域。