以崭新的视角重新审视涡旋光场中的拓扑荷
2019-05-21

河南科技大学李新忠课题组以崭新的视角重新审视了涡旋光场,通过对其拓扑荷值定义积分的部分去包裹处理,展现了涡旋光场相位梯度及相位阶跃因子的调控特性及作用,加深了人们对涡旋光场中拓扑荷值的理解。

由于携带了轨道角动量(OAM)这一独特物理量,近年来,涡旋光场在微粒操控、光镊技术、光学通信等前沿领域得到了广泛的研究和应用。在涡旋光场中,拓扑荷值是一个至关重要的参数,它决定了涡旋光场的轨道角动量和光扳手力。

然而,涡旋光场中拓扑荷值的定义由一个闭合环路积分决定。该积分包裹了许多细节信息,使得我们对涡旋光场中的拓扑荷值的认知存在一个盲区。

为消除该盲区,给结构光场的相关研究者提供一个关于拓扑荷值的清晰的物理景象,河南科技大学物理工程学院李新忠教授课题组与山东师范大学物理与电子科学学院蔡阳健教授合作,从涡旋光场拓扑荷值的积分定义式出发,通过对积分的部分去包裹处理,将拓扑荷值参数替换为两个新表征因子:相位梯度因子和相位阶跃因子。进而,深入研究了这两个表征因子的物理意义及在涡旋光场中扮演的角色,并在此基础上构建了一种新型涡旋光场——余数相位涡旋光场。


图1 余数相位涡旋光场产生原理图

传统涡旋光场的螺旋相位因子exp(imψ)周期为2π,使得相位梯度与相位阶跃共同决定于拓扑荷m,因此造成了传统涡旋光场的相位阶跃参数被隐藏了起来。为了去除相位梯度与相位阶跃的相关性,利用求余函数对涡旋光场相位进行调控。在保证相位梯度不受影响的情况下实现对相位阶跃的独立调节,进而构造了余数相位涡旋光场。为了使调节因子具有物理意义,取求余数函数的被除数为2πm/nn为相位阶跃因子,代表着相位阶跃的个数,相关原理如图1所示。


图2 余数相位光学涡旋的远场光强、相位、轨道角动量密度分布

余数相位涡旋光场的远场分布如图2所示。研究表明:相位梯度因子决定远场总OAM,并且总OAM在传播中守恒;相位阶跃因子决定远场的分裂涡旋数,并可对远场OAM的分布进行整形(如图2b所示,n=7则整形为七边形)。此外,将被除数2πm/n替换为函数f进行按位运算求解即可在保证相位梯度不变的情况下实现相位阶跃的任意调控。图3展示了一种相位阶跃递增的余数相位涡旋光场。


图3 相位阶跃递增的余数相位涡旋光场

余数相位涡旋光场可以理解为一系列整数阶螺旋相位因子的叠加,在对其分解态进行表征时,传统对分解模式进行独立分析的方法难以适用于模式较多的复杂情况。为此,研究团队提出了一种OAM熵的表征方法,其体现了混合态分解为OAM单态叠加时的能量均分程度。余数相位涡旋光场的OAM熵如图4所示(其中e为OAM熵)。


图4 OAM熵。 (a)相位阶跃相等的情况及(b)相位阶跃递增的情况下OAM熵的变化

利用该技术可以演化出更多具有多维度、独立调控特性的新型涡旋光场;这为光束整形、微粒操控、光镊技术等领域的应用提供了一种OAM分布丰富并且可控的新型结构光场。

相关研究成果以“Optical vortex shaping via a phase jump factor”为题发表在Optics Letters [44(6), 1379(2019)]上。该工作得到了国家自然科学基金委员会的资助。

论文链接:https://www.osapublishing.org/ol/abstract.cfm?uri=ol-44-6-1379

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