定制等离子体涡流的时空动力学

等离子体涡旋是由表面等离子体激元干涉形成的具有拓扑特征的光场分布，丰富了自然界中涡旋现象的种类。由于其在倏逝场区域的特殊轨道角动量特征，等离子体涡旋在许多尖端应用中具有广阔的前景，例如用于微粒操作的等离子体镊子和片上量子信息处理。因此，等离子体涡旋的产生方法和演化动力学在过去十年中引起了巨大的研究热情，为等离子体涡旋的本质提供了许多见解，并迅速推动了相关应用的向前发展。

对于等离子体涡流的产生，最常见的方法是构建特殊的耦合器，利用传播相位和几何相位的设计自由度，将携带自旋角动量的圆偏振光转换为片上等离子体涡流。尽管传播和几何相位的单独或组合使用都可以实现目标拓扑电荷的等离子体涡旋，但它们的时空动力学的实际差异仍未被探索。对于表征方法，目前使用的光电子显微镜和非线性近场光学显微镜受探测原理和光学系统的限制，很难获得准确的演化动力学。

天津大学、桂林电子科技大学的研究小组和本文的作者提出了一种新的方法来定制等离子体涡流的时空动力学。证明了具有相同拓扑电荷的等离子体涡旋可以通过简单地改变耦合器设计而被赋予不同的时空动力学(图 1)。基于近场扫描太赫兹显微镜直接获得表面等离子体场的完整振幅和相位信息以及具有超高时间分辨率的精确演化动力学。

基于正交狭缝对，该小组设计了两个等离子体涡旋耦合器以产生具有相同拓扑电荷(l= 4). 通过引入不同的传播相位和几何相位，生成的等离子体涡旋的时空动力学可以完全不同。为了从数值上揭示等离子体涡旋生命周期中的形成、旋转和衰变阶段的过程，该小组将二维惠更斯-菲涅耳原理推广到时域，并获得了等离子体涡旋场分布的时间分辨快照(图2). 尽管两个耦合器在频域的性能相似，但在强度和相位分布方面，两个等离子体涡流的时空动力学具有截然不同的特征。如图所示，表面等离子场在同一公转轨道上同时(样本 1)或相继(样本 2)到达并衰减，这对应于时空分布中携带的轨道角动量的均匀性或分解。基于近场扫描太赫兹显微镜的结果揭示了具有超高分辨率(约为中心频率光周期的 1/66)的等离子涡流的准确时空演化动力学，并通过实验验证了及时调整等离子轨道角动量的可行性-基于不同等离子体涡旋耦合器设计的域。

研究等离子体涡旋独特的产生和演化行为对于时变特性相关的实际应用具有重要意义。在空间和时间维度上对轨道角动量的操纵将为等离子体镊子和片上信息处理提供新的设计自由度和更高的精度。此外，所提出的策略是通用的，可以直接应用于红外和可见光区域，为探索等离子体涡旋的更多内在性质和潜在应用提供了一种新方法。