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COL 封面故事 (Vol. 21, Iss. 8): 具有多时空维度涡旋相位的新型时空光场

发布:lina000288阅读:375时间:2024-1-23 13:32:44

封面|具有多时空维度涡旋相位的新型时空光场

 

上海理工大学詹其文教授课题组提出并研究了一种新型时空光场,这一时空光场在多个时空维度都具有涡旋相位,通过改变多时空维度下的涡旋相位,可以实现对光场所携带光子轨道角动量的矢量控制。具有多时空维度涡旋相位的新型时空光场可用于新型光通信,光与物质的相互作用,以及光子的自旋角动量与轨道角动量耦合等研究。

 

时空光涡旋的横向轨道角动量特性

 

图1 传统涡旋光束(左)与时空光涡旋(右),前者携带方向平行于光束传输方向的纵向轨道角动量,后者携带方向垂直于光场传播方向的横向轨道角动量。

 

不同于传统涡旋光束(上图左例),时空涡旋光场(spatiotemporal optical vortices, STOV)在时空域内具有涡旋相位(图1右例)。这一时空相位使时空光涡旋具有了独特的光子学特性:时空光涡旋可以携带大小为l?的横向光子轨道角动量(orbital angular momentum, OAM)。与传统涡旋光束不同的是,涡旋光束的OAM方向为纵向,OAM的指向与光的传播方向平行;而时空光涡旋的OAM为横向,方向垂直于光场的传播方向。

 

由于时空光涡旋的复杂性,早期关于横向轨道角动量的研究十分有限。时空光涡旋的首次产生借助了一束具有极高功率的光脉冲与空气的非线性相互作用过程,脉冲中的小部分能量会在子午面内产生光涡旋,生成具有横向轨道角动量的时空光涡旋。这一过程依赖于复杂的非线性过程且不可控。2020年,上海理工大学詹其文教授课题组提出了可控生成时空光涡旋的方法。研究成果迅速得到广泛关注,多个研究课题组利用这一方法开展了大量研究工作,大大丰富了光子横向轨道角动量以及时空光场的研究领域。

 

具有多时空维度涡旋相位的新型时空光场

 

已有的时空光涡旋研究集中于研究涡旋相位位于X-T面的时空光涡旋,光场携带的横向轨道角动量的指向沿Y方向。目前,只有少数研究工作关注了时空域内有多个涡旋相位或者在多个时空域内有涡旋相位的新型时空光场。在此基础上,上海理工大学詹其文教授团队提出并研究了在多个时空维度都具有涡旋相位的新型时空光场。相关工作发表于Chinese Optics Letters第21卷第8期(Liangliang Gu, Qian Cao, and Qiwen Zhan. Spatiotemporal optical vortex wavepackets with phase singularities embedded in multiple domains[J]. Chinese Optics Letters, 2023, 21(8): 080003)被遴选为该期封面。

 

Chinese Optics Letters 2023年第8期封面图

 

封面中描绘了具有多时空域涡旋相位的新型时空光场,光场分别在X-T面、Y-T面以及X-Y面具有涡旋相位。该光场具有对光子携带轨道角动量(OAM)实施矢量操控的能力。波包内部的螺旋带突出了光场的等相位面。波包在空间中沿Z方向传播,图像上方的能流对此进行了说明。

 

图2 在多个时空维度下都具有涡旋相位的新型时空光场时空域强度与相位分布。

 

新型时空光场在多个时空域内(X-T面与X’-T面)都具有涡旋相位。X与X’轴之间的夹角大小为。图2展示了在多个时空维度下都具有涡旋相位的新型时空光场时空域强度与相位分布,可以看到当为45度时,光场的强度分布会发生一定的偏转,这意味着可以通过改变来调控光场所携带轨道角动量的指向。图3详细展示了当涡旋相位夹角改变时,光场所携带轨道角动量的变化。横向轨道角动量的大小、指向都可以通过改变得以控制。当光场与传统涡旋光束的空间涡旋相位结合,新型时空光场具备了对于光场所携带轨道角动量的矢量控制。

 

图3 多维时空涡旋光场所携带轨道角动量的矢量调控