撰稿 | 陳建
標題 | 光子颶風：攜帶光子橫向軌道角動量的光學時空渦旋
完成單位 | 上海理工大學
概述
近日，上海理工大學莊松林院士和顧敏院士領導下的未來光學國際實驗室納米光子學重點團隊在光子軌道角動量研究領域取得重大突破，首次從理論到實驗展示了具有時空螺旋相位並攜帶光子橫向軌道角動量的新型光場，展示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、生物傳感、等離子體器件等領域具有重大的潛在研究和應用價值。該研究成果於2020年2月在線發表於世界光學頂尖期刊《自然-光子學》上，論文題目為「Generation of spatiotemporal optical vortices with controllable transverse orbital angular momentum」。
研究背景
光子可以攜帶角動量，包括與圓偏振相關的自旋角動量和與螺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與光束傳播方向平行。光子角動量有諸多應用，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，類似於地球的自轉和公轉。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光束傳播方向的光子橫向自旋角動量，而垂直於光束傳播方向的光子橫向軌道角動量此前尚未見報導。
技術突破
賦予光子垂直於光束傳播方向的橫向軌道角動量需要產生攜帶多色波螺旋相位的光波包。這種光波包是一個以光速飛行的時空波包，內部能流具有橫向渦旋結構，類似於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，可以通過多色波螺旋相位來控制。圖1中給出了光子橫向軌道角動量與傳統縱向軌道角動量的對比。
圖1 傳統縱向渦旋(a)與純橫向時空渦旋(b)的對比
上海理工大學納米光子學團隊在詹其文教授指導下創造性地利用了空間頻率-頻率面到空間-時間面的傅立葉變換來實現時空光渦旋。在空間-時間面直接疊加螺旋相位通常很困難，但是在空間頻率-頻率面疊加螺旋相位則可以通過光柵、柱透鏡和液晶空間光調製器等光學相位元件在實驗室中實現（如圖2所示）。空間頻率-頻率面的螺旋相位經過傅立葉變換後在空間-時間面內仍然存在，從而生成攜帶橫向軌道角動量的時空光渦旋。其所攜帶光子橫向軌道角動量的拓撲荷可以通過液晶空間光調製器產生不同的螺旋相位來控制。
圖2 生成時空渦旋的實驗裝置圖
觀點評述
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，提供了一個新的光子軌道角動量維度，在從小到光場與原子分子相互作用及微納結構與器件、大到宏觀宇宙及相對論研究中具有廣闊的應用前景。
團隊介紹
詹其文，上海理工大學納米光子學傑出教授，納米光子學重點創新團隊首席科學家，美國光學學會(OSA) Fellow，國際光電學會(SPIE) Fellow。現任美國光學學會Optica副主編，中國光學工程學會PhotoniX副主編，自然-施普林格Journal of Nondestructive Evaluation副主編，自然出版集團Scientific Reports編委。
陳建，特聘副教授，上海理工大學光電信息與計算機工程學院。
萬辰皓，兼職特聘教授，上海理工大學光電信息與計算機工程學院。