圖1 可控脈衝環型剖面的完美光學渦旋（POVs） 示意圖
光學渦旋 被認為是一種具有螺旋波前奇點包圍的相，並且具有獨特的性能，如可以攜帶環形輪廓的軌道角動量（orbital angular momentum (OAM) ）。該特性具有一個十分令人興奮的應用，如受激發射損耗納米顯微鏡分析（ stimulated emission depletion (STED) nanoscopy）、光學操控、同時應用在經典和量子狀態下的軌道角動量（OAM）倍增光學通訊、增強光學成像以及最近新發展的高強度渦旋物理等等。然而，傳統渦旋所產生的環形輪廓的尺寸強烈的受攜帶拓撲電荷的影響。
圖2 實驗的示意圖
在2013年，Ostrvsky及其合作者首次提出一種完美光學渦旋（ perfect optical vortices (POVs)）的概念，這是一種在傅立葉平面上形成一種脈衝環的狀態，此時它的半徑在拓撲電荷的作用下處於準獨立的狀態。就在同一年，採用動態捕獲微粒的辦法顯示了完美渦旋光束及其相應的亮環。同時也表明這些完美的渦旋提供了沿亮脈衝環將軌道角動量（orbital angular momentum (OAM) ）轉換成捕獲粒子的可能性。
圖3 電荷作用下鑲嵌螺旋相的CDG所產生的黑色POVs的模擬和實驗結果
一年後，這一新型的光學渦旋被提出用於軌道角動量（orbital angular momentum (OAM) ）的光纖通訊中的倍增，它可以提供耦合倍增軌道角動量（orbital angular momentum (OAM) ）光束到一定的環狀纖維中。然而，過去報導的完美光學渦旋的脈衝環都是亮的環狀形態，這會阻礙在某些情況下的應用。
最近，一種通用型的，建立在在圓達曼光柵（Circular Dammann Gratings (CDGs) ）基礎之上的可控脈衝環型剖面的完美光學渦旋（POVs）被提出來，並且被中國科學院上海光學精密機械研究所的研究人員給予了證實。這一研究成果以題目「Circular Dammann gratings for enhanced control of the ring profile of perfect optical vortices」「」發表在近期的期刊《Photonics Researc》上。
圖4 電荷作用下黑色POVs在離焦平面下幹涉圖的模擬和實驗結果
隨著這一設計理論的發展，圓達曼光柵（Circular Dammann Gratings (CDGs) ）在光學測量、光學圖像編碼、結構光泵浦雷射器和環形雷射照明等領域得到應用。然而，傳統的圓達曼光柵（Circular Dammann Gratings (CDGs) ）所產生的脈衝環並不能處理任何軌道角動量。
基於該公開報導的研究結果，圓達曼光柵（Circular Dammann Gratings (CDGs) ）中的每一衍射級的傅立葉頻譜均包含一個螺旋相，其重量幾乎為兩個脈衝環的總和，一個朝裡，而另外一個朝外的脈衝環。
於是，這就有可能來控制環形的脈衝形狀鑲嵌在螺旋相中任意的改變兩個脈衝環的加權係數。
在驗證實驗中，可編程的螺旋調製光用於模擬圓達曼光柵（Circular Dammann Gratings (CDGs) ）的相，鑲嵌在螺旋相中。此時的結構優化後用於獲得兩個脈衝環之間理想的加權係數。
圖5 電荷作用下黑色POVs在離焦平面下相分布的模擬和實驗結果
結果顯示完全黑色的完美光學渦旋（ perfect optical vortices (POVs)）被兩個亮的葉環在不同的邊所包圍，顯示出完美的環電勢，沿這些黑色的脈衝環進行捕獲穩態的低折射率粒子、胞或量子氣體等。
圖6 藍色光學旋渦造成的視錯覺
而且，幾個不同脈衝環的完美光學渦旋（ perfect optical vortices (POVs)），包括傳統的包含亮環的完美光學渦旋（ perfect optical vortices (POVs)），以及前面提到的黑色的完美光學渦旋（ perfect optical vortices (POVs)）和可控脈衝環的完美光學渦旋（ perfect optical vortices (POVs)）均給予了展示。
圖7 飛秒雷射產生的光學渦旋
這一工作為任意軌道脈衝環的重新塑形而得到完美光學渦旋提供了可能。這一成果在光學操縱，不論是量子光學通訊還是經典光學通訊，增強光學成像以及新型結構光泵浦雷射器等方面均有非常有意義的應用前景。
完美光學渦旋（Perfect optical vortices (POVs) ）提供了解決由於經典光學渦旋在拓撲電荷作用下的強相關的解決方案。然而，傳統的完美光學渦旋是將其沿發射方向全部重塑成單個的樹葉的形狀。來自上海光機所的研究人員提出一種基於調製原形的正餘弦函數的徑向函數的原理來調製增強控制完美光學渦旋（Perfect optical vortices (POVs) ），通過鑲嵌螺旋相的徑向的達曼光柵來實現。
另 中紅外高峰值功率的渦旋雷射在驅動高次諧波產生具有軌道角動量的X射線方面具有重大應用前景，因而光學旋渦的產生和操控受到了廣泛的關注。但是，由於螺旋相位板、空間光調製器等器件的損傷閾值限制和透射率低等因素，難以使用這些器件直接產生高峰值功率的渦旋雷射。近年來，光學參量啁啾脈衝放大（OPCPA）技術結合了光學參量放大和啁啾脈衝放大技術兩者的獨特優勢，例如高增益、高保真度、低熱效應和可調諧波長等，在高峰值功率雷射系統中被廣泛採用。因此，利用渦旋光產生和OPCPA放大技術成為產生高能飛秒中紅外渦旋光的有效手段。
研究人員認為，這種高能量中紅外飛秒渦旋光雷射源為強場雷射物理學領域提供了一種新工具，並且可以用作驅動產生攜帶軌道角動量、光子能量達keV量級的高次諧波以及其它次級輻射。該方法可以進一步擴展到其他波長以及更高峰值功率的渦旋光雷射系統，將極大地推動相關領域的發展。
圖8 上光所基於OPCPA的飛秒中紅外渦旋光雷射示意圖
圖9 西工大兩種模式光纖的調製模型下的光學渦旋光纖雷射
器
參考文獻
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來源：Junjie Yu, Chaofeng Miao, Jun Wu, and Changhe Zhou，Circular Dammann gratings for enhanced control of the ring profile of perfect optical vortices, Photonics Research Vol. 8, Issue 5, pp. 648-658 (2020) https://doi.org/10.1364/PRJ.387527