在自然界中，涡旋无处不在。从台风眼中的空气旋转，到超导体中的磁通涡旋，再到磁介质中的磁畴结构，旋转流动往往对应着一种稳定而奇妙的拓扑结构。然而，在许多磁性材料中，科学家们还发现了一种更加特殊的存在—反涡旋。如果说普通涡旋像水流绕着中心旋转，那么反涡旋则更像一种“马鞍形流动”：能流并不围绕中心转圈，而是在不同方向上呈现汇聚与发散并存的结构。由于其独特的拓扑稳定性，反涡旋已经成为凝聚态物理、超导和磁性系统中的重要研究对象。那么，当我们把目光从磁性材料转向瞬息万变的光学世界，特别是在近年来大放异彩的时空光场中，是否也能雕刻出这样奇妙的涡旋与反涡旋呢？

近日，山东师范大学物理与光电学院蔡阳健教授带领团队成员发现并实验观测到时空涡旋与反涡旋本征光场，通过求解含时波动方程在不同色散机制下的精确解，成功实现了两类具有非平凡拓扑结构的广义时空模式——具有等传输特性的时空优雅拉盖尔高斯涡旋模式，以及时空涡旋和反涡旋模式。这些广义时空光学涡旋模式展现出非平凡的复杂场结构和独特的横向轨道角动量分布。该研究成果以“Spatiotemporal light modes: From elegant vortices to vortex-antivortex patterns”为题发表在《Laser & Photonics Review》。

涡旋与反涡旋是一类具有重要拓扑特性的结构，广泛存在于自然界与科学材料中。在光学领域，携带轨道角动量的涡旋光因其独特的能量流动方式与信息承载能力，已成为国际前沿研究热点。近年来，随着超快光学的发展，研究者进一步提出了“时空光涡旋”这一全新概念，将光场的空间与时间维度深度耦合，为探索横向轨道角动量、超快光与物质相互作用以及高维光信息处理开辟了新方向。然而，目前已实现的时空光涡旋大多局限于简单的螺旋相位结构，更复杂的时空拓扑模式仍有待突破。针对这一挑战，本研究首次在理论与实验上产生并观测了具有涡旋与反涡旋结构的广义时空光波包，揭示了光在时空维度中的全新拓扑能流与相位结构，并构建出一类“优雅”时空涡旋本征模式。研究结果不仅深化了人们对时空结构光拓扑性质的理解，也为未来高容量光通信、非线性光学、拓扑光子学以及新型光学准粒子的实现提供了重要基础。

山东师范大学为第一完成单位，博士生樊海豪和博士后Davud Hebri为论文第一作者，山东师范大学蔡阳健教授、青年教师刘欣博士、西湖大学詹其文教授和达尔豪斯大学Sergey A. Ponomarenko教授为论文通讯作者。该项研究得到了国家自然科学基金重大项目、国家重点研发计划项目课题等多项资助。