Les vortex optiques spatio-temporels (STOVs) constituent une nouvelle famille de champs lumineux structurés dans lesquels la singularité de phase se déploie dans l’espace-temps plutôt que dans l’espace transverse.
Depuis leur démonstration expérimentale en 2019, ces objets suscitent un intérêt croissant en optique ultrarapide en raison de leur moment angulaire orbital transverse, une propriété dont l’interprétation fait encore l’objet de débats.
Dans un travail récent, des chercheurs du LIDYL proposent un cadre théorique qui éclaire une question apparemment simple : où se trouve exactement le « centre » d’une impulsion lumineuse structurée et comment la détermination de ce centre définit son moment angulaire orbital ?
Distributions de phase, sur une surface d’iso-intensité, d’un faisceau portant un moment angulaire longitudinal (gauche), c’est-à-dire le long de l’axe de propagation, et d’un faisceau portant un moment angulaire transverse (droite), perpendiculaire à l’axe de propagation. Les premiers sont des vortex optiques habituels, alors que les seconds sont appelés vortex optiques spatio-temporels.
Pour une impulsion ultracourte, plusieurs définitions coexistent. On peut notamment définir un centre d’énergie, associé à la distribution de l’énergie électromagnétique, ou un centre de photons, lié à la répartition locale des photons. Pour une impulsion ordinaire, ces deux points coïncident généralement. En revanche, dans les impulsions présentant de forts couplages entre espace et temps, comme les vortex spatio-temporels, ils peuvent être distincts.
Cette différence n’est pas un simple détail géométrique. Elle modifie directement la définition du moment angulaire intrinsèque de l’impulsion. Dans un STOV, la présence d’une singularité de phase redistribue les fréquences et déforme la structure du champ, ce qui entraîne un déplacement différent des deux centroïdes.
De plus, grâce à un cadre théorique unique pour les deux choix, l’étude illustre, en s’appuyant sur quelques exemples, les différences possibles de leurs trajectoires lors de la propagation. Alors que le centre d’énergie se déplace selon la direction moyenne du flux d’énergie, le centre de photons reste sensible à la répartition spectrale de l’impulsion et peut évoluer différemment.
Calcul de la propagation d’un vortex optique spatio-temporel. Les droites rouge et bleue représentent la position des centres des photons et de l’énergie respectivement. Elles ne coïncident ni entre elles, ni avec la position de la singularité de phase, mais suivent, dans ce cas particulier, des trajectoires parallèles. Le moment angulaire calculé par rapport à chacun de ces centres est transverse, mais prend des valeurs différentes.
Au-delà de ces aspects géométriques, ce travail apporte une clarification importante concernant l’interprétation quantique des STOVs. La notion souvent employée de « moment angulaire par photon » pourrait laisser penser que chaque photon transporte une quantité bien définie de moment angulaire, comme c’est le cas pour les faisceaux vortex conventionnels. Les auteurs montrent cependant que ce n’est pas le cas : contrairement au moment angulaire orbital longitudinal, le moment angulaire transverse des vortex spatio-temporels ne correspond pas à une observable quantifiée portée individuellement par les photons.
En fournissant une description rigoureuse des centroïdes et du moment angulaire des impulsions lumineuses structurées, ce travail contribue à clarifier les fondements physiques des vortex spatio-temporels. Ces résultats devraient faciliter l’interprétation de futures expériences impliquant des champs ultrarapides complexes, notamment en optique non linéaire, en génération d’harmoniques et en optique quantique.