《科学通报》：上海理工大学詹其文教授团队生成传播不变的时空贝塞尔涡旋光场
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导读
近日，上海理工大学未来光学国际实验室在光场时空调控研究领域再次取得重要进展，詹其文教授带领的纳米光子学团队从理论和实验上研究了具备传播不变特性的贝塞尔时空涡旋波包。贝塞尔时空涡旋光场可以将高阶的时空涡旋限制在时空光场内，在传播过程中，光场携带的高阶时空涡旋在时空域内保持较好完整性，实现光子横向轨道角动量的长距离有效传输。这一研究结果解决了时空涡旋光场在其他应用领域的一个重要障碍，为开展今后的工作提供了新的研究工具。这一研究结果以“Non-spreading Bessel spatiotemporal optical vortices”为题于2021年7月在线发表在期刊《科学通报》上 [1]。
研究背景
光子具有沿光场平均波矢方向的线动量。光子也可以携带角动量，包括与光场偏振态相关的自旋角动量（spin angular momentum, SAM）以及与光场螺旋相位相关的轨道角动量（orbital angular momentum, OAM）。过去的30年里，对于光子角动量的研究为诸多研究领域开辟了全新的方向，例如量子光学、高速光通讯、微纳光子学等。针对光子轨道角动量的研究大多集中于涡旋光束，其光子携有方向平行于光束传播方向的纵向OAM。时空涡旋（spatio-temporal optical vortices, STOV）光场的发现为光子轨道角动量研究开辟了新的维度[2]，STOV光场内的光子可携带有方向垂直于光场传播方向的横向OAM，这一研究成果迅速得到国内外课题组的关注[3-5]。值得注意的是，利用涡旋相位产生的STOV光场会在传播过程中发生高阶横向拓扑荷的分裂。当STOV光场在色散介质中传播时，光场亦会在时间域内展宽。这两点妨碍了时空涡旋光场在一些潜在应用领域的使用。本论文的研究思路利用时空贝塞尔光场来加载STOV相位，产生时空域内有高阶贝塞尔函数时空分布的新型光场，即具有传播不变特性的贝塞尔时空涡旋光场，解决原有STOV光场在传播过程中高阶STOV拓扑荷分裂以及STOV光场在传播过程中时空域展宽所导致的问题。
创新研究
贝塞尔时空涡旋光场可由时空光场整形器施加相位调控产生。整形器（图1中虚线框）内有等距排列的光栅、柱透镜和二维空间光调制器（spatial light modulator, SLM）。当三者的间距为柱透镜的焦距时，入射光场的空间-频率域（x-Ω）将被投影于SLM所在平面。此时SLM可对入射光场的空间-频率域光场进行相位调控。经调控后的空间-频率域光场E(x,Ω)将在第二次通过光栅时，重构为准直的出射时空光场。在整形器后经一定距离的自由空间传播，出射时空光场将演化为贝塞尔时空光场或贝塞尔时空涡旋光场。以贝塞尔时空涡旋光场为例，当SLM施加如图1中右侧所示的全息相位图，时空光场将在整形器后演化为携带横向STOV拓扑荷l=+2的贝塞尔时空涡旋光场。
图1 实验装置示意图（左）及加载位相图（右）。
贝塞尔时空涡旋光场在时间上为皮秒尺度，其三维时空光场的测量依赖于将光场与另一束飞秒“探针”脉冲一同输入CCD相机，并调节光场与“探针”在CCD的入射角以产生干涉条纹。通过分析不同相对延时下的干涉条纹，可以得到时空光场的三维强度、相位信息。图2展示了贝塞尔时空涡旋光场（l=±1,±2,±3）时空域强度的测量结果，可以看到光场的时空域光强内呈典型的高阶贝塞尔函数分布。
图2 不同阶数贝塞尔时空涡旋光场时空分布实验测量结果。
贝塞尔时空涡旋光场是上海理工大学在光场时空调控和光子轨道角动量研究领域又一重要进展。这一研究也展示了时空光场整形器在时空光场调控领域的高度灵活性，为STOV光场在光与物质相互作用、高速光通讯、微纳电子学等潜在应用领域提供了全新的研究工具。
1. Q. Cao, J. Chen, K. Lu, C. Wan, A. Chong, and Q. Zhan, Non-spreading Bessel spatiotemporal optical vortices, Science Bulletin, 2021.
2. A. Chong, C. Wan, J. Chen, and Q. Zhan, Generation of spatiotemporal optical vortices with controllable transverse orbital angular momentum, Nature Photonics 14, 350-354 (2020).
3. S. W. Hancock, S. Zahedpour, A. Goffin, and H. M. Milchberg, "Free-space propagation of spatiotemporal optical vortices," Optica 6, 1547-1553 (2019)
4. C. Wan, J. Chen, A. Chong, and Q. Zhan, Generation of ultrafast spatiotemporal wave packet embedded with time-varying orbital angular momentum, Science Bulletin 65, 1334-1336 (2020).
5. G. Gui, N. J. Brooks, H. C. Kapteyn, M. M. Murnane, and C-T Liao, Second-harmonic generation and the conservation of spatiotemporal orbital angular momentum of light, Nature Photonics 15, 608–613 (2021).
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