光子飓风 | 携带光子横向轨道角动量的光学时空涡旋

概述

     近日，上海理工大学庄松林院士和顾敏院士领导下的未来光学国际实验室纳米光子学重点团队在光子轨道角动量研究领域取得重大突破，首次从理论到实验展示了具有时空螺旋相位并携带光子横向轨道角动量的新型光场，展示了一个全新的光子轨道角动量自由度，在光通讯、光信息处理、量子光学、粒子操控、粒子碰撞、生物传感、等离子体器件等领域具有重大的潜在研究和应用价值。该研究成果于2020年2月在线发表于世界光学顶尖期刊《自然-光子学》上，论文题目为“Generation of spatiotemporal optical vortices with controllable transverse orbital angular momentum”。

研究背景

     光子可以携带角动量，包括与圆偏振相关的自旋角动量和与螺旋相位相关的轨道角动量。通常光子的自旋角动量和轨道角动量与光束传播方向平行。光子角动量有诸多应用，以粒子操控为例，光子的自旋角动量可以使粒子以自身为轴进行旋转，而光子的轨道角动量可以使粒子以光束中心为轴进行旋转，类似于地球的自转和公转。近年来，研究表明在高数值孔径聚焦光场和瞬逝波光场中存在垂直于光束传播方向的光子横向自旋角动量，而垂直于光束传播方向的光子横向轨道角动量此前尚未见报道。

技术突破

     赋予光子垂直于光束传播方向的横向轨道角动量需要产生携带多色波螺旋相位的光波包。这种光波包是一个以光速飞行的时空波包，内部能流具有横向涡旋结构，类似于一个快速移动的飓风。光子横向轨道角动量理论上可以具有无穷多个数值，也称为拓扑荷，可以通过多色波螺旋相位来控制。图1中给出了光子横向轨道角动量与传统纵向轨道角动量的对比。

     上海理工大学纳米光子学团队在詹其文教授指导下创造性地利用了空间频率-频率面到空间-时间面的傅里叶变换来实现时空光涡旋。在空间-时间面直接叠加螺旋相位通常很困难，但是在空间频率-频率面叠加螺旋相位则可以通过光栅、柱透镜和液晶空间光调制器等光学相位元件在实验室中实现（如图2所示）。空间频率-频率面的螺旋相位经过傅里叶变换后在空间-时间面内仍然存在，从而生成携带横向轨道角动量的时空光涡旋。其所携带光子横向轨道角动量的拓扑荷可以通过液晶空间光调制器产生不同的螺旋相位来控制。

观点评述

    光子横向轨道角动量的突破性研究进展是上海理工大学在光子轨道角动量研究领域又一重大突破。这一研究揭示了一个全新的光场态，提供了一个新的光子轨道角动量维度，在从小到光场与原子分子相互作用及微纳结构与器件、大到宏观宇宙及相对论研究中具有广阔的应用前景。

团队介绍

     詹其文，上海理工大学纳米光子学杰出教授，纳米光子学重点创新团队首席科学家，美国光学学会(OSA) Fellow，国际光电学会(SPIE) Fellow。现任美国光学学会Optica副主编，中国光学工程学会PhotoniX副主编，自然-施普林格Journal of Nondestructive evaluation副主编，自然出版集团Scientific Reports编委。

     陈建，特聘副教授，上海理工大学光电信息与计算机工程学院。

     万辰皓，兼职特聘教授，上海理工大学光电信息与计算机工程学院。