近日,上海理工大學(xué)莊松林院士和顧敏院士領(lǐng)導(dǎo)的未來光學(xué)國際實(shí)驗(yàn)室在光子軌道角動(dòng)量研究領(lǐng)域再次取得重大突破，詹其文教授帶領(lǐng)的納米光子學(xué)團(tuán)隊(duì)首次從理論到實(shí)驗(yàn)展示了具有時(shí)空渦旋相位并攜帶光子橫向軌道角動(dòng)量的新型光場(chǎng)，開創(chuàng)了一個(gè)全新的光子軌道角動(dòng)量自由度，在光通訊、光信息處理、量子光學(xué)、粒子操控、粒子碰撞、相對(duì)論空間物理等領(lǐng)域具有較大的研究和應(yīng)用價(jià)值。該研究成果以“Generation of spatiotemporal optical vortices with controllable transverse orbital angular momentum”為題在線發(fā)表在世界光學(xué)頂尖期刊《自然-光子學(xué)》上。

研究背景

光子具有沿光束傳播方向的線性動(dòng)量。光子也可以攜帶角動(dòng)量，包括與圓偏振相關(guān)的自旋角動(dòng)量和與渦旋相位相關(guān)的軌道角動(dòng)量。通常光子的自旋角動(dòng)量和軌道角動(dòng)量都是沿光束傳播方向。光子角動(dòng)量在高速光通信、粒子操控、全息成像、量子光學(xué)等方面得到了廣泛的研究和應(yīng)用。以粒子操控為例，光子的自旋角動(dòng)量可以使粒子以自身為軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，而光子的軌道角動(dòng)量可以使粒子以光束中心為軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，類似于地球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)。近年來，研究表明在高數(shù)值孔徑聚焦光場(chǎng)和瞬逝波光場(chǎng)中存在垂直于光束傳播方向的光子橫向自旋角動(dòng)量。光子橫向自旋角動(dòng)量在光子自旋-軌道角動(dòng)量耦合、量子光通信和表面等離基元定向傳播方面得到了廣泛關(guān)注和研究，而垂直于光束傳播方向的光子橫向軌道角動(dòng)量尚未見報(bào)道。

創(chuàng)新研究

光子橫向軌道角動(dòng)量垂直于光束傳播方向并且與多色波渦旋相位相關(guān)。光波包是一個(gè)時(shí)空波包，具有橫向渦旋結(jié)構(gòu)，類似于一個(gè)快速移動(dòng)的颶風(fēng)。光子橫向軌道角動(dòng)量理論上可以具有無窮多個(gè)數(shù)值，也稱為拓?fù)浜?，可以通過多色波渦旋相位來控制。

時(shí)空光渦旋的產(chǎn)生基于空間頻率-頻率面到空間-時(shí)間面的傅里葉變換。通常，在空間-時(shí)間面直接疊加渦旋相位是困難的，但是在空間頻率-頻率面疊加渦旋相位是較為容易的，可以通過光柵、柱透鏡和液晶光調(diào)制器件等光學(xué)相位元件在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)。攜帶不同拓?fù)浜晒庾訖M向軌道角動(dòng)量的時(shí)空波包可以通過液晶光調(diào)制器件調(diào)控不同的渦旋相位實(shí)現(xiàn)?？臻g頻率-頻率面的渦旋相位經(jīng)過傅里葉變換后在空間-時(shí)間面內(nèi)仍然存在，從而生成可控的時(shí)空光渦旋。

時(shí)空光渦旋波包是一個(gè)皮秒量級(jí)的啁啾脈沖，通過精密電控位移臺(tái)讓一個(gè)飛秒脈沖與其疊加干涉，形成一組干涉條紋?；趯?shí)驗(yàn)所測(cè)得的一系列干涉條紋，可以重建空間-時(shí)間面內(nèi)中心為奇點(diǎn)的渦旋相位分布，與理論預(yù)期相符。通過干涉條紋，還可以計(jì)算時(shí)空波包在三維空間中的光強(qiáng)分布。在空間-時(shí)間面內(nèi)，光波包對(duì)應(yīng)相位奇點(diǎn)位置的光強(qiáng)為零。

光子橫向軌道角動(dòng)量的突破性研究進(jìn)展是上海理工大學(xué)在光子軌道角動(dòng)量研究領(lǐng)域又一重大突破。這一研究揭示了一個(gè)全新的光場(chǎng)態(tài)，開辟了一個(gè)新的光子軌道角動(dòng)量維度，在小到光場(chǎng)與原子分子相互作用以及微納結(jié)構(gòu)與器件、大到宏觀宇宙及相對(duì)論研究，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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