01
導(dǎo)讀
近日，來(lái)自英國(guó)南安普頓大學(xué)（University of Southampton）的申藝杰（清華大學(xué)精儀系博士）和南非金山大學(xué)（University of the Witwatersrand）的 AndrewForbes 等研究人員產(chǎn)生了一種新型矢量渦旋光束，突破了傳統(tǒng)自旋-軌道雙自由度糾纏態(tài)限制，而具多重自由度操控，首次實(shí)現(xiàn)可模擬多粒子糾纏態(tài)的經(jīng)典模式，這種“超自由度”光束可以直接產(chǎn)生于一個(gè)緊湊型微片激光器，為新型結(jié)構(gòu)光束的廣泛應(yīng)用拓展創(chuàng)造了無(wú)限可能。該成果以“Structured ray-wave vector vortex beams in multiple degrees offreedom from a laser”為題，近期發(fā)表于美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)（OSA）旗艦期刊Optica，并入選了2020年第7期封面文章。

圖片來(lái)源：optica

02
背景介紹
矢量渦旋光具有隨空間變化的偏振矢量，以其獨(dú)特的自旋（SAM）-軌道角動(dòng)量（OAM）耦合性質(zhì)催生了廣泛的應(yīng)用，SAM對(duì)應(yīng)了光子偏振態(tài)，OAM對(duì)應(yīng)了空間渦旋相位，SAM-OAM雙自由度所構(gòu)成的不可分離疊加態(tài)也恰恰對(duì)應(yīng)了雙比特量子糾纏態(tài)，對(duì)光與物質(zhì)相互作用和經(jīng)典量子耦合系統(tǒng)等基礎(chǔ)物理效應(yīng)的研究具有重要價(jià)值，也在各個(gè)領(lǐng)域拓展了先進(jìn)的應(yīng)用，如大容量光通信，精密度量學(xué)，光探測(cè)與傳感，光鑷與粒子操控等，因而成為近年的研究熱點(diǎn)。但是，超越SAM-OAM雙自由度描述限制的矢量光束在此之前還從未出現(xiàn)。試想如果我們可以突破這一限制，構(gòu)造出更多自由度可操控的新型矢量光束，即可模擬更豐富的多粒子糾纏態(tài)，開(kāi)啟更多經(jīng)典量子耦合性質(zhì)的研究，衍生出數(shù)不勝數(shù)的結(jié)構(gòu)光應(yīng)用新技術(shù)。
另外，矢量渦旋光的產(chǎn)生一般都需要復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)和昂貴的調(diào)制器件，這成了阻礙其進(jìn)一步應(yīng)用的一大瓶頸。為尋求更緊湊的結(jié)構(gòu)光產(chǎn)生系統(tǒng)，對(duì)結(jié)構(gòu)光激光器的研究近年來(lái)吸引了越來(lái)越多的研究興趣。結(jié)構(gòu)光激光器要求多種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)光可以直接產(chǎn)生于一個(gè)簡(jiǎn)單光學(xué)諧振腔，從而使得各種矢量渦旋結(jié)構(gòu)光束的產(chǎn)生系統(tǒng)更加小型化、緊湊化、高效化。試想如果我們只需要一個(gè)簡(jiǎn)單激光腔就可以直接產(chǎn)生和控制結(jié)構(gòu)光的多個(gè)自由度，就可以極大簡(jiǎn)化矢量渦旋光產(chǎn)生系統(tǒng)，推進(jìn)實(shí)用化進(jìn)程，方便新技術(shù)的拓展。
近日，來(lái)自英國(guó)南安普頓大學(xué)（University of Southampton）的申藝杰（清華大學(xué)精儀系博士生）和南非金山大學(xué)（University of the Witwatersrand）的 Andrew Forbes 等研究人員在美國(guó)光學(xué)協(xié)會(huì)（OSA）的頂級(jí)期刊 Optica 發(fā)表文章，一舉突破了這兩個(gè)學(xué)術(shù)難題：1. 超越自由度限制，2. 緊湊的結(jié)構(gòu)光產(chǎn)生系統(tǒng)；并入選期刊封面文章。本文創(chuàng)造性地提出并產(chǎn)生了一種全新的矢量渦旋光，它具有多重自由度，除了包括傳統(tǒng)的OAM模式和偏振自由度（即SAM），還拓展了新的自由度：軌跡簡(jiǎn)并度、軌跡相位、軌跡組合數(shù)等。這種新型結(jié)構(gòu)光束可以通過(guò)一個(gè)緊湊型微片激光器直接產(chǎn)生，為多自由度光束的廣泛應(yīng)用拓展創(chuàng)造了無(wú)限可能。

03
創(chuàng)新研究
傳統(tǒng)矢量渦旋光束具有圓柱對(duì)稱性結(jié)構(gòu)，是SAM偏振和OAM模式的糾纏疊加態(tài)，而表現(xiàn)為空間角向變化的偏振分布形態(tài)，其表征不會(huì)逃出這SAM-OAM雙自由度糾纏態(tài)限制。而本文提出的一種全新的矢量渦旋光，具有更豐富的二維旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性結(jié)構(gòu)，是傳統(tǒng)圓柱對(duì)稱結(jié)構(gòu)的廣義拓展，同時(shí)具備多重可操控自由度，除了包括傳統(tǒng)的OAM模式和偏振，還拓展了新的自由度如軌跡簡(jiǎn)并度，軌跡相位，軌跡組合數(shù)等，首次實(shí)現(xiàn)矢量渦旋光的超自由度特性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)應(yīng)多自由度多粒子糾纏態(tài)的經(jīng)典模式。
新結(jié)構(gòu)光束的產(chǎn)生方法是利用量子相干態(tài)中概率波包與粒子經(jīng)典運(yùn)動(dòng)軌跡相互耦合的原理，即SU(2)相干態(tài)，在經(jīng)典結(jié)構(gòu)光中構(gòu)造與這種相干態(tài)類似的結(jié)構(gòu)，從而使得結(jié)構(gòu)光產(chǎn)生波跡二象性，即這種幾何結(jié)構(gòu)光同時(shí)具有空間相干波包和幾何光線軌道的描述，而這種軌跡性恰恰可以在開(kāi)放式激光腔中表征，即不同橫縱模頻率耦合的諧振腔結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)不同周期振蕩的光跡軌道（如圖1）。這項(xiàng)工作創(chuàng)新性地發(fā)現(xiàn)：通過(guò)精確地控制腔內(nèi)對(duì)增益晶體的泵浦點(diǎn)，同一振蕩周期的兩種不同取向的光跡軌道，可以存在重合的一對(duì)拐點(diǎn)，它們分享一個(gè)離軸泵浦光斑的增益，從而可以在諧振腔中同時(shí)產(chǎn)生兩種軌道而形成穩(wěn)定混合疊加態(tài)——稱為混合SU(2)相干態(tài)，進(jìn)而從一個(gè)諧振腔中直接發(fā)射出具有混合軌道疊加態(tài)的“波跡二象”結(jié)構(gòu)光。完備描述這種幾何模式需要三個(gè)新的自由度：頻率簡(jiǎn)并度（Ω）決定軌跡簇中的光線數(shù)目；離軸度（N）決定軌道模的橫向尺度；振動(dòng)相位（?）決定軌跡簇中不同光線的相對(duì)位置和取向（如圖1c），并形成不可分離疊加態(tài)，即經(jīng)典糾纏態(tài)。

圖1混合SU(2)結(jié)構(gòu)光的產(chǎn)生原理：在平凹諧振腔中精密控制腔長(zhǎng)和曲率半徑使其滿足各種橫縱模耦合的頻率簡(jiǎn)并態(tài)，相應(yīng)頻率簡(jiǎn)并諧振腔可滿足幾何光線軌跡形成各種周期振蕩軌道，還可能產(chǎn)生兩種取向的周期軌道同時(shí)產(chǎn)生并滿足諧振條件而形成混合軌道。

圖片來(lái)源：Optica Vol. 7, Issue 7, pp. 820-831 (2020)（Fig.1）

進(jìn)一步，為了產(chǎn)生矢量結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)上巧妙地采用在軸截面具有各向異性的c-cut晶體作為增益介質(zhì)，由于光腔內(nèi)不同橫向尺度控制下的光跡軌道以不同的傾角通過(guò)增益晶體，因而對(duì)混合波跡模式的各個(gè)軌道上的光形成了不同程度的偏振調(diào)制。為了產(chǎn)生渦旋結(jié)構(gòu)，采用了傳統(tǒng)柱透鏡像散模式轉(zhuǎn)換器，由于SU(2)相干態(tài)模式可以看作本征模的疊加波包，因而可類似傳統(tǒng)HG到LG模式轉(zhuǎn)換的過(guò)程引入OAM，這個(gè)過(guò)程中橫向離軸度被轉(zhuǎn)化為OAM，同時(shí)波跡二象性使得光束具有雙層雙曲直紋線渦旋結(jié)構(gòu)，橫截面上每層構(gòu)成正多邊形陣列，兩層合并為標(biāo)準(zhǔn)多角星形狀（如圖2）。綜合兩種調(diào)制方法，標(biāo)量混合SU(2)平面結(jié)構(gòu)光可以拓展為矢量混合SU(2)渦旋結(jié)構(gòu)光，形成多自由度操控的SAM-OAM耦合態(tài)，其中頻率簡(jiǎn)并度（Ω）決定橫截面多角星的邊數(shù)（五角星：Ω=1/5；六角星：Ω=1/6；等等）；軌道角動(dòng)量（?）決定光束空間尺寸和扭曲程度，相位?決定多角星圖案的取向角。

圖2 混合SU(2)結(jié)構(gòu)矢量渦旋光的空間波包分布（左列）和各種偏振矢量特性測(cè)量的理論（Sim）和實(shí)驗(yàn)（Exp）結(jié)果。
圖片來(lái)源：Optica Vol. 7, Issue 7, pp. 820-831 (2020)（Fig.4）

這種新型混合SU(2)結(jié)構(gòu)矢量渦旋光具有比傳統(tǒng)矢量光或渦旋光更豐富的拓?fù)湎辔黄纥c(diǎn)和偏振奇點(diǎn)，對(duì)于不同的矢量狀態(tài)，光束中展現(xiàn)了不同程度萬(wàn)花筒狀的偏振奇點(diǎn)分布（圖3）。另外，這種新型結(jié)構(gòu)光還具有額外的新自由度有待拓展。例如，以上展示的頻率簡(jiǎn)并態(tài)中，混合軌道只有一種疊加的方式去滿足共用一對(duì)拐點(diǎn)與泵浦光斑同時(shí)匹配的調(diào)節(jié)，而在更高階的頻率簡(jiǎn)并態(tài)下，隨著腔內(nèi)振蕩軌道拐點(diǎn)數(shù)的增加，理論上將可能存在多種混合軌道疊加態(tài)，這一可能存在的疊加態(tài)數(shù)目——軌道組合數(shù)，將是一個(gè)可以被操控的嶄新自由度。此外，以上結(jié)果只展示了兩個(gè)獨(dú)立軌道態(tài)疊加態(tài)的結(jié)果，而在更高階的頻率簡(jiǎn)并態(tài)下，理論上將有可能存在三重、四重、甚至更多重軌道疊加態(tài)，使得光束具有更奇異的形狀和更豐富的性質(zhì)。

圖3 混合SU(2)結(jié)構(gòu)矢量渦旋光的拓?fù)湎辔缓推衿纥c(diǎn)。
圖片來(lái)源：Optica Vol. 7, Issue 7, pp. 820-831 (2020)（Fig.5）

04
應(yīng)用與展望
“超自由度”矢量渦旋光的出現(xiàn)打破了傳統(tǒng)自旋-軌道角動(dòng)量雙自由度的限制，從此光束結(jié)構(gòu)可以模擬多粒子多自由度的糾纏態(tài)，使得發(fā)展高維多通道大容量的量子和經(jīng)典光通信技術(shù)成為可能。多自由度結(jié)構(gòu)光的出現(xiàn)也預(yù)示了傳統(tǒng)光鑷和粒子操控技術(shù)的革新，即多個(gè)粒子可以被同一束光捕獲并控制它們的多自由度運(yùn)動(dòng)。同時(shí)該新型結(jié)構(gòu)光也可用于加工領(lǐng)域，通過(guò)更豐富、可定制的微納結(jié)構(gòu)在材料上進(jìn)行高效加工。新型光束更為精密的奇點(diǎn)分布也適合發(fā)展新的超分辨成像和精密測(cè)量技術(shù)（關(guān)于更多應(yīng)用，推薦閱讀該課題組的 Light: Science & Applications 綜述論文：）。更重要的是，這種新型結(jié)構(gòu)光束可以通過(guò)一個(gè)緊湊型微片激光器直接產(chǎn)生，為新型多自由度光束的廣泛應(yīng)用拓展創(chuàng)造極大的方便和無(wú)限可能。

05
作者簡(jiǎn)介

申藝杰 博士
申藝杰現(xiàn)為英國(guó)南安普頓大學(xué)瑪麗·居里學(xué)者研究員（Marie S.-Curie Research Fellow），于光電研究中心（Optoelectronics Research Centre，ORC）納米光學(xué)與超材料組（Nikolay I. Zheludev課題組）進(jìn)行研究。2015年獲得華南理工大學(xué)獲得機(jī)械工程及自動(dòng)化專業(yè)學(xué)士學(xué)位；2019年獲得清華大學(xué)精密儀器系光學(xué)工程專業(yè)博士學(xué)位；2019年3月到6月期間受邀為訪問(wèn)學(xué)者于南非金山大學(xué)物理學(xué)院結(jié)構(gòu)光實(shí)驗(yàn)室（Andrew Forbes課題組）與南非CSIR國(guó)家激光中心進(jìn)行合作研究。
申藝杰當(dāng)前的研究領(lǐng)域?yàn)榻Y(jié)構(gòu)光操控，光學(xué)角動(dòng)量，量子糾纏，超快非線性光學(xué)，納米光學(xué)與超材料。
申藝杰是2019年王大珩光學(xué)獎(jiǎng)獲得者，現(xiàn)為中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)員，中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)員，美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)（OSA）特邀會(huì)員（系統(tǒng)與儀器組資深會(huì)員），中國(guó)國(guó)家一級(jí)計(jì)算機(jī)制圖員。擔(dān)任Opt. Lett., Opt. Express, IEEE Photon. J.,J. Opt.等多個(gè)國(guó)際學(xué)術(shù)期刊審稿人，J. Opt.期刊學(xué)術(shù)顧問(wèn)委員會(huì)成員，獲得 2019年度英國(guó)皇家物理學(xué)會(huì)（IOP）杰出審稿人榮譽(yù)。在國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議及研究機(jī)構(gòu)做學(xué)術(shù)報(bào)告10余次，以第一作者及通訊作者在物理及光學(xué)領(lǐng)域知名期刊Light: Sci. & Appl., Optica, Phys. Rev. A, Opt. Lett., Opt. Express等發(fā)表學(xué)術(shù)論文40余篇并有數(shù)百次引用。
06
文章信息
相關(guān)成果以“ Structured ray-wave vectorvortex beams in multiple degrees of freedom from a laser ”為題，近期發(fā)表于美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)（OSA）旗艦期刊Optica，并入選了2020年第7期封面文章。
清華大學(xué)申藝杰博士（現(xiàn)為英國(guó)南安普頓大學(xué)的瑪麗·居里學(xué)者研究員）為該論文的第一作者和通訊作者，該工作為清華大學(xué)付星特別研究員課題組與南非金山大學(xué)Andrew Forbes課題組的合作項(xiàng)目成果，清華大學(xué)為論文的第一單位。該工作還得到了南非CSIR國(guó)家激光中心、北京理工大學(xué)等單位的合作支持。此外，該工作獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金的資助，以及清華大學(xué)光子測(cè)控技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)的支持。
原文地址 https://doi.org/10.1364/OPTICA.382994