近日,上海理工大學莊鬆林院士和顧敏院士領導的未來光學國際實驗室在光子軌道角動量研究領域再次取得重大突破，詹其文教授帶領的納米光子學團隊首次從(cong) 理論到實驗展示了具有時空渦旋相位並攜帶光子橫向軌道角動量的新型光場，開創了一個(ge) 全新的光子軌道角動量自由度，在光通訊、光信息處理、量子光學、粒子操控、粒子碰撞、相對論空間物理等領域具有較大的研究和應用價(jia) 值。該研究成果以“Generation of spatiotemporal optical vortices with controllable transverse orbital angular momentum”為(wei) 題在線發表在世界光學頂尖期刊《自然-光子學》上。

研究背景

光子具有沿光束傳(chuan) 播方向的線性動量。光子也可以攜帶角動量，包括與(yu) 圓偏振相關(guan) 的自旋角動量和與(yu) 渦旋相位相關(guan) 的軌道角動量。通常光子的自旋角動量和軌道角動量都是沿光束傳(chuan) 播方向。光子角動量在高速光通信、粒子操控、全息成像、量子光學等方麵得到了廣泛的研究和應用。以粒子操控為(wei) 例，光子的自旋角動量可以使粒子以自身為(wei) 軸進行旋轉，而光子的軌道角動量可以使粒子以光束中心為(wei) 軸進行旋轉，類似於(yu) 地球的自轉和公轉。近年來，研究表明在高數值孔徑聚焦光場和瞬逝波光場中存在垂直於(yu) 光束傳(chuan) 播方向的光子橫向自旋角動量。光子橫向自旋角動量在光子自旋-軌道角動量耦合、量子光通信和表麵等離基元定向傳(chuan) 播方麵得到了廣泛關(guan) 注和研究，而垂直於(yu) 光束傳(chuan) 播方向的光子橫向軌道角動量尚未見報道。

創新研究

光子橫向軌道角動量垂直於(yu) 光束傳(chuan) 播方向並且與(yu) 多色波渦旋相位相關(guan) 。光波包是一個(ge) 時空波包，具有橫向渦旋結構，類似於(yu) 一個(ge) 快速移動的颶風。光子橫向軌道角動量理論上可以具有無窮多個(ge) 數值，也稱為(wei) 拓撲荷，可以通過多色波渦旋相位來控製。

時空光渦旋的產(chan) 生基於(yu) 空間頻率-頻率麵到空間-時間麵的傅裏葉變換。通常，在空間-時間麵直接疊加渦旋相位是困難的，但是在空間頻率-頻率麵疊加渦旋相位是較為(wei) 容易的，可以通過光柵、柱透鏡和液晶光調製器件等光學相位元件在實驗室中實現。攜帶不同拓撲荷光子橫向軌道角動量的時空波包可以通過液晶光調製器件調控不同的渦旋相位實現。空間頻率-頻率麵的渦旋相位經過傅裏葉變換後在空間-時間麵內(nei) 仍然存在，從(cong) 而生成可控的時空光渦旋。

時空光渦旋波包是一個(ge) 皮秒量級的啁啾脈衝(chong) ，通過精密電控位移台讓一個(ge) 飛秒脈衝(chong) 與(yu) 其疊加幹涉，形成一組幹涉條紋。基於(yu) 實驗所測得的一係列幹涉條紋，可以重建空間-時間麵內(nei) 中心為(wei) 奇點的渦旋相位分布，與(yu) 理論預期相符。通過幹涉條紋，還可以計算時空波包在三維空間中的光強分布。在空間-時間麵內(nei) ，光波包對應相位奇點位置的光強為(wei) 零。

光子橫向軌道角動量的突破性研究進展是上海理工大學在光子軌道角動量研究領域又一重大突破。這一研究揭示了一個(ge) 全新的光場態，開辟了一個(ge) 新的光子軌道角動量維度，在小到光場與(yu) 原子分子相互作用以及微納結構與(yu) 器件、大到宏觀宇宙及相對論研究，具有廣闊的應用前景。

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