01导读

由于双光束干涉相位的调制深度为2p，自然界中干涉产生涡旋拓扑荷均为1阶。为了解决该问题，实现高阶涡旋的产生，河南科技大学李新忠课题组通过在双光场干涉过程中引入过渡光场，利用干涉场的相位周期作为补偿相位，成功提高了干涉场的相位调制深度，并在聚焦平面上产生了一种离散型高阶光学涡旋晶格。

相关研究成果以“Generation of discrete higher-order optical vortex lattice at focus”为题，于2023年8月17日发表在Optics Letters上。

02研究背景

光学涡旋作为一种最普遍的相位型结构光场，被喻为光场的“骨架”。它具有独特的强度和相位分布，同时携带有轨道角动量，因此在光学前沿领域得到了广泛研究和应用。从光学显微的微观世界，到光学传感的无限可能，从光学制造的精雕细琢，到光通信的信息纵横，以及玻色-爱因斯坦凝聚的神秘踪迹，光学涡旋都发挥着重要的作用。

在研究人员的努力下，通过光与物质相互作用双光场干涉的方式，创造了多样化的光学涡旋束、光学涡旋阵列（包含多个独立光学涡旋，可逐一操控）以及光学涡旋晶格（将光学涡旋嵌入特定路径的强度结构中，适用于批量调控）。

然而，尽管干涉作为一种纯粹的光学方法，具备非接触性和针对更小尺寸的调制潜力，但由于干涉场中的相速度存在差异，可能导致空间位置上的相位失配，从而难以满足高阶光学涡旋晶格所需的相位调制深度。此外，针对多波干涉研究，通常研究的是平面波或球面波，但由于不同的相位周期代表不同的传播方向，在实际单色光场中很难保证叠加光场的传播稳定性。因此，通过干涉技术产生高阶光学涡旋晶格仍然面临一些挑战。

03研究创新点

针对以上问题，研究团队提出了一项多LG光束干涉技术，他们在干涉场中引入了过渡光场，以干涉场的相位周期作为补偿相位，以增强干涉场的相位调制深度。通过这种精妙的方式，在聚焦平面上创造出一种离散高阶光学涡旋晶格（DHOVL）。研究显示，这种高阶涡旋晶格的拓扑荷只与最内层和最外层干涉光束的拓扑荷以及相位周期有关，即满足m₀=(m_N-m₁)/ τ，其中τ代表两光场相位周期的最小公倍数。

图1展示了DHOVL的生成过程，其中涵盖了三束不同拓扑荷值的LG光束在空间中的部分叠加。此外，该团队还深入研究了DHOVL中高阶子涡旋与传统高阶光学涡旋的3D螺旋相位波前分布的差异，如图1b、c所示。发现其3D螺旋相位波前分布与传统高阶光学涡旋一样——环绕涡旋一周，位相变化m₀λ。

图1 DHOVL的产生示意图。其中，a表示拓扑荷为2的DHOVL，b和c分别表示离散高阶光学涡旋和传统高阶涡旋的三维波前分布

传统的高阶光学涡旋具备两个显著的特点：其一是光环的半径随着拓扑荷的增加而逐渐扩大，其二是平均单光子轨道角动量（OAM）等于m₀?。经过实验研究发现，当DHOVL的拓扑荷逐渐增大时，净拓扑荷（即正负奇点的拓扑荷之和）与单个离散高阶光学涡旋的拓扑荷相等，如图2所示。同时，随着拓扑荷的增加，DHOVL的强度范围也显著扩展。相对应的，随着拓扑荷的增大，OAM密度分布也逐渐增强。

图2 拓扑荷（m₀）不同时，DHOVL的强度分布和轨道角动量密度分布

为了进一步定量验证拓扑荷变化对DHOVL的影响，该团队还计算了单个子涡旋的径向宽度和相应的平均单光子OAM，如图3所示。研究结果表明，离散高阶光学涡旋的径向宽度与拓扑荷的变化呈线性趋势。然而，在相同的拓扑荷情况下，DHOVL的平均单光子OAM却高于传统高阶光学涡旋的水平。这一差异的根源在于光场分布的不对称性，引发了OAM的变化。这一系列分析有助于深化对DHOVL的理解，揭示了其独特的特性。

图3 拓扑荷不同时，DHOVL中单个光学涡旋的半径和平均单光子OAM测量

04总结与展望

该团队基于多LG光束干涉技术，为高阶光学涡旋晶格的产生提供了一种替代方案。值得注意的是，该高阶光学涡旋晶格产生于透镜的焦平面上，这为紧凑的光学系统注入了一股可调性的活力。这种可调性不仅加强了涡旋晶格控制的灵活性，同时也鼓舞了粒子群操作和手性结构微加工等领域的前沿应用。同时，干涉场中的角向相位谱可被视为空间域中的不同波矢，为多维时空涡旋的研究提供了支持。

论文通讯作者为之江实验室马海祥博士后、河南科技大学台玉萍副教授和李新忠教授，第一作者为硕士生王亚坤。该工作得到了国家自然科学基金(12274116，11974102)、瞬态光学与光子技术国家重点实验室开放基金(SKLST202216)、河南省高等学校重点科研项目(21zx002)、河南省杰出青年科学基金(232300421019)和中国博士后基金(K2023MG0AC01)的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1364/OL.497995