前沿进展 | 时空涡旋光束衍射特性及其快速检测新方法

01 导读

近日，中科院上海光学精密机械研究所刘军研究员团队在携带横向轨道角动量光束衍射方面取得新进展。该研究揭示了时空涡旋光束新颖的衍射特性，并提出了一种时空涡旋光束拓扑荷值快速检测方法。该成果以“Diffraction properties of light with transverse orbital angular momentum”为题于2022年4月22号发表在Optica上。2022 | 前沿进展

02 研究背景

近来，人们已经可以在实验室条件下产生时空涡旋光束，不同于常规空间涡旋光束其相位奇点存在于空间面（x-y面）而具有平行于光束传播方向的轨道角动量即纵向轨道角动量，时空涡旋光束由于其相位奇点位于时间空间域（x-t面），因而其具有的轨道角动量的方向可以垂直于光束传播方向，即横向轨道角动量。常规多色光的衍射作为光波的一种基本行为已经被人们熟悉，而目前关于携带横向轨道角动量光束衍射特性的研究还比较少。由于时空涡旋波包的能量在时空域内发生耦合，这可能影响其衍射行为。此外，目前也缺乏一种能快速检测时空涡旋光束拓扑荷值的方法。

03 研究创新点

该研究从理论和实验上分析了时空涡旋光束的衍射特性。时空涡旋光束的产生和衍射装置如图1所示。时空涡旋光束的产生装置是由4f脉冲整形系统及放置在其傅里叶面的螺旋相位板构成。

图1 基于4f脉冲整形系统时空涡旋光束产生（上部分）及时空涡旋光束的衍射及测量装置示意图（下部分）

首先，理论分析表明时空涡旋光束的衍射图样成多瓣结构，而瓣的数量或者瓣间沟隙个数和拓扑荷值对应。比如对于拓扑荷值为l的时空涡旋光束，其衍射图样具有l个瓣间沟隙。实验结果和理论计算结果匹配。衍射图样的理论计算结果和实验结果如图2所示。此外，利用时空涡旋光束衍射图样瓣的数量或者沟隙数量与拓扑荷值所具有的这种直接对应关系，可以实现时空涡旋光束拓扑荷值快速检测。 

图2 不同阶次时空涡旋光束的光强分布图及其衍射图样。

第1和2行分别为理论计算和实验测量得到的时空涡旋光束的光强分布图；第3和4行分别为理论计算和实验测量得到的时空涡旋光束的衍射图样

04 总结与展望

这项研究工作揭示了时空涡旋光束的衍射特性，并提供了一种时空涡旋光束拓扑荷值简便快速的检测方法，该方法在需要快速识别时空涡旋光束的领域具有潜在应用，比如基于时空涡旋光束的光通信等。该研究促进了人们对时空涡旋光束物理特性的认识，并有望加速携带横向轨道角动量时空涡旋光束的应用。

论文第一作者为中科院上海光学精密机械研究所博士研究生黄舜林，通讯作者为刘军研究员。上述工作得到国家自然科学基金，中国科学院战略性先导科技专项（B类），中科院仪器发展项目，上海市科学基金等项目支持。

论文链接：https://doi.org/10.1364/OPTICA.449108

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编辑 | 方紫璇

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