近日,上海理工大學莊松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理論到實驗展示了具有時空渦旋相位并攜帶光子橫向軌道角動量的新型光場，開創了一個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值。該研究成果以“Generation of spatiotemporal optical vortices with controllable transverse orbital angular momentum”為題在線發表在世界光學頂尖期刊《自然-光子學》上。

研究背景

光子具有沿光束傳播方向的線性動量。光子也可以攜帶角動量，包括與圓偏振相關的自旋角動量和與渦旋相位相關的軌道角動量。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、量子光學等方面得到了廣泛的研究和應用。以粒子操控為例，光子的自旋角動量可以使粒子以自身為軸進行旋轉，而光子的軌道角動量可以使粒子以光束中心為軸進行旋轉，類似于地球的自轉和公轉。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于光束傳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、量子光通信和表面等離基元定向傳播方面得到了廣泛關注和研究，而垂直于光束傳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于光束傳播方向并且與多色波渦旋相位相關。光波包是一個時空波包，具有橫向渦旋結構，類似于一個快速移動的颶風。光子橫向軌道角動量理論上可以具有無窮多個數值，也稱為拓撲荷，可以通過多色波渦旋相位來控制。

時空光渦旋的產生基于空間頻率-頻率面到空間-時間面的傅里葉變換。通常，在空間-時間面直接疊加渦旋相位是困難的，但是在空間頻率-頻率面疊加渦旋相位是較為容易的，可以通過光柵、柱透鏡和液晶光調制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制器件調控不同的渦旋相位實現。空間頻率-頻率面的渦旋相位經過傅里葉變換后在空間-時間面內仍然存在，從而生成可控的時空光渦旋。

時空光渦旋波包是一個皮秒量級的啁啾脈沖，通過精密電控位移臺讓一個飛秒脈沖與其疊加干涉，形成一組干涉條紋。基于實驗所測得的一系列干涉條紋，可以重建空間-時間面內中心為奇點的渦旋相位分布，與理論預期相符。通過干涉條紋，還可以計算時空波包在三維空間中的光強分布。在空間-時間面內，光波包對應相位奇點位置的光強為零。

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全新的光場態，開辟了一個新的光子軌道角動量維度，在小到光場與原子分子相互作用以及微納結構與器件、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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