「超自由度」矢量渦旋光束雷射器誕生

以下文章來源於中國光學 ，作者長光所Light中心，江蘇雷射聯盟轉載

撰稿 | 申藝傑（清華大學精儀系 博士）

註：本文由論文作者投稿

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導讀

近日，來自英國南安普頓大學（University of Southampton）的申藝傑（清華大學精儀系博士）和南非金山大學（University of the Witwatersrand）的 AndrewForbes 等研究人員產生了一種新型矢量渦旋光束，突破了傳統自旋-軌道雙自由度糾纏態限制，而具多重自由度操控，首次實現可模擬多粒子糾纏態的經典模式，這種「超自由度」光束可以直接產生於一個緊湊型微片雷射器，為新型結構光束的廣泛應用拓展創造了無限可能。該成果以「Structured ray-wave vector vortex beams in multiple degrees offreedom from a laser」為題，近期發表於美國光學學會（OSA）旗艦期刊Optica，併入選了2020年第7期封面文章。

圖片來源：optica

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背景介紹

矢量渦旋光具有隨空間變化的偏振矢量，以其獨特的自旋（SAM）-軌道角動量（OAM）耦合性質催生了廣泛的應用，SAM對應了光子偏振態，OAM對應了空間渦旋相位，SAM-OAM雙自由度所構成的不可分離疊加態也恰恰對應了雙比特量子糾纏態，對光與物質相互作用和經典量子耦合系統等基礎物理效應的研究具有重要價值，也在各個領域拓展了先進的應用，如大容量光通信，精密度量學，光探測與傳感，光鑷與粒子操控等，因而成為近年的研究熱點。但是，超越SAM-OAM雙自由度描述限制的矢量光束在此之前還從未出現。試想如果我們可以突破這一限制，構造出更多自由度可操控的新型矢量光束，即可模擬更豐富的多粒子糾纏態，開啟更多經典量子耦合性質的研究，衍生出數不勝數的結構光應用新技術。

另外，矢量渦旋光的產生一般都需要複雜的光學系統和昂貴的調製器件，這成了阻礙其進一步應用的一大瓶頸。為尋求更緊湊的結構光產生系統，對結構光雷射器的研究近年來吸引了越來越多的研究興趣。結構光雷射器要求多種複雜的結構光可以直接產生於一個簡單光學諧振腔，從而使得各種矢量渦旋結構光束的產生系統更加小型化、緊湊化、高效化。試想如果我們只需要一個簡單雷射腔就可以直接產生和控制結構光的多個自由度，就可以極大簡化矢量渦旋光產生系統，推進實用化進程，方便新技術的拓展。

近日，來自英國南安普頓大學（University of Southampton）的申藝傑（清華大學精儀系博士生）和南非金山大學（University of the Witwatersrand）的 Andrew Forbes 等研究人員在美國光學協會（OSA）的頂級期刊 Optica 發表文章，一舉突破了這兩個學術難題：1. 超越自由度限制，2. 緊湊的結構光產生系統；併入選期刊封面文章。本文創造性地提出並產生了一種全新的矢量渦旋光，它具有多重自由度，除了包括傳統的OAM模式和偏振自由度（即SAM），還拓展了新的自由度：軌跡簡併度、軌跡相位、軌跡組合數等。這種新型結構光束可以通過一個緊湊型微片雷射器直接產生，為多自由度光束的廣泛應用拓展創造了無限可能。

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創新研究

傳統矢量渦旋光束具有圓柱對稱性結構，是SAM偏振和OAM模式的糾纏疊加態，而表現為空間角向變化的偏振分布形態，其表徵不會逃出這SAM-OAM雙自由度糾纏態限制。而本文提出的一種全新的矢量渦旋光，具有更豐富的二維旋轉對稱性結構，是傳統圓柱對稱結構的廣義拓展，同時具備多重可操控自由度，除了包括傳統的OAM模式和偏振，還拓展了新的自由度如軌跡簡併度，軌跡相位，軌跡組合數等，首次實現矢量渦旋光的超自由度特性，實現了對應多自由度多粒子糾纏態的經典模式。

新結構光束的產生方法是利用量子相干態中概率波包與粒子經典運動軌跡相互耦合的原理，即SU(2)相干態，在經典結構光中構造與這種相干態類似的結構，從而使得結構光產生波跡二象性，即這種幾何結構光同時具有空間相干波包和幾何光線軌道的描述，而這種軌跡性恰恰可以在開放式雷射腔中表徵，即不同橫縱模頻率耦合的諧振腔結構對應不同周期振蕩的光跡軌道（如圖1）。這項工作創新性地發現：通過精確地控制腔內對增益晶體的泵浦點，同一振蕩周期的兩種不同取向的光跡軌道，可以存在重合的一對拐點，它們分享一個離軸泵浦光斑的增益，從而可以在諧振腔中同時產生兩種軌道而形成穩定混合疊加態——稱為混合SU(2)相干態，進而從一個諧振腔中直接發射出具有混合軌道疊加態的「波跡二象」結構光。完備描述這種幾何模式需要三個新的自由度：頻率簡併度（Ω）決定軌跡簇中的光線數目；離軸度（N）決定軌道模的橫向尺度；振動相位（ϕ）決定軌跡簇中不同光線的相對位置和取向（如圖1c），並形成不可分離疊加態，即經典糾纏態。

圖1混合SU(2)結構光的產生原理：在平凹諧振腔中精密控制腔長和曲率半徑使其滿足各種橫縱模耦合的頻率簡併態，相應頻率簡併諧振腔可滿足幾何光線軌跡形成各種周期振蕩軌道，還可能產生兩種取向的周期軌道同時產生並滿足諧振條件而形成混合軌道。

圖片來源：Optica Vol. 7, Issue 7, pp. 820-831 (2020)（Fig.1）

進一步，為了產生矢量結構，實驗上巧妙地採用在軸截面具有各向異性的c-cut晶體作為增益介質，由於光腔內不同橫向尺度控制下的光跡軌道以不同的傾角通過增益晶體，因而對混合波跡模式的各個軌道上的光形成了不同程度的偏振調製。為了產生渦旋結構，採用了傳統柱透鏡像散模式轉換器，由於SU(2)相干態模式可以看作本徵模的疊加波包，因而可類似傳統HG到LG模式轉換的過程引入OAM，這個過程中橫向離軸度被轉化為OAM，同時波跡二象性使得光束具有雙層雙曲直紋線渦旋結構，橫截面上每層構成正多邊形陣列，兩層合併為標準多角星形狀（如圖2）。綜合兩種調製方法，標量混合SU(2)平面結構光可以拓展為矢量混合SU(2)渦旋結構光，形成多自由度操控的SAM-OAM耦合態，其中頻率簡併度（Ω）決定橫截面多角星的邊數（五角星：Ω=1/5；六角星：Ω=1/6；等等）；軌道角動量（ℓ）決定光束空間尺寸和扭曲程度，相位ϕ決定多角星圖案的取向角。

圖2 混合SU(2)結構矢量渦旋光的空間波包分布（左列）和各種偏振矢量特性測量的理論（Sim）和實驗（Exp）結果。

圖片來源：Optica Vol. 7, Issue 7, pp. 820-831 (2020)（Fig.4）

這種新型混合SU(2)結構矢量渦旋光具有比傳統矢量光或渦旋光更豐富的拓撲相位奇點和偏振奇點，對於不同的矢量狀態，光束中展現了不同程度萬花筒狀的偏振奇點分布（圖3）。另外，這種新型結構光還具有額外的新自由度有待拓展。例如，以上展示的頻率簡併態中，混合軌道只有一種疊加的方式去滿足共用一對拐點與泵浦光斑同時匹配的調節，而在更高階的頻率簡併態下，隨著腔內振蕩軌道拐點數的增加，理論上將可能存在多種混合軌道疊加態，這一可能存在的疊加態數目——軌道組合數，將是一個可以被操控的嶄新自由度。此外，以上結果只展示了兩個獨立軌道態疊加態的結果，而在更高階的頻率簡併態下，理論上將有可能存在三重、四重、甚至更多重軌道疊加態，使得光束具有更奇異的形狀和更豐富的性質。

圖3 混合SU(2)結構矢量渦旋光的拓撲相位和偏振奇點。

圖片來源：Optica Vol. 7, Issue 7, pp. 820-831 (2020)（Fig.5）

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應用與展望

「超自由度」矢量渦旋光的出現打破了傳統自旋-軌道角動量雙自由度的限制，從此光束結構可以模擬多粒子多自由度的糾纏態，使得發展高維多通道大容量的量子和經典光通信技術成為可能。多自由度結構光的出現也預示了傳統光鑷和粒子操控技術的革新，即多個粒子可以被同一束光捕獲並控制它們的多自由度運動。同時該新型結構光也可用於加工領域，通過更豐富、可定製的微納結構在材料上進行高效加工。新型光束更為精密的奇點分布也適合發展新的超分辨成像和精密測量技術（關於更多應用，推薦閱讀該課題組的 Light: Science & Applications 綜述論文：doi.org/10.1038/s41377-019-0194-2）。更重要的是，這種新型結構光束可以通過一個緊湊型微片雷射器直接產生，為新型多自由度光束的廣泛應用拓展創造極大的方便和無限可能。

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作者簡介

申藝傑 博士

申藝傑現為英國南安普頓大學瑪麗·居裡學者研究員（Marie S.-Curie Research Fellow），於光電研究中心（Optoelectronics Research Centre，ORC）納米光學與超材料組（Nikolay I. Zheludev課題組）進行研究。2015年獲得華南理工大學獲得機械工程及自動化專業學士學位；2019年獲得清華大學精密儀器系光學工程專業博士學位；2019年3月到6月期間受邀為訪問學者於南非金山大學物理學院結構光實驗室（Andrew Forbes課題組）與南非CSIR國家雷射中心進行合作研究。

申藝傑當前的研究領域為結構光操控，光學角動量，量子糾纏，超快非線性光學，納米光學與超材料。

申藝傑是2019年王大珩光學獎獲得者，現為中國光學學會會員，中國力學學會會員，美國光學學會（OSA）特邀會員（系統與儀器組資深會員），中國國家一級計算機製圖員。擔任Opt. Lett., Opt. Express, IEEE Photon. J.,J. Opt.等多個國際學術期刊審稿人，J. Opt.期刊學術顧問委員會成員，獲得 2019年度英國皇家物理學會（IOP）傑出審稿人榮譽。在國際學術會議及研究機構做學術報告10餘次，以第一作者及通訊作者在物理及光學領域知名期刊Light: Sci. & Appl., Optica, Phys. Rev. A, Opt. Lett., Opt. Express等發表學術論文40餘篇並有數百次引用。

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文章信息

相關成果以「 Structured ray-wave vectorvortex beams in multiple degrees of freedom from a laser 」為題，近期發表於美國光學學會（OSA）旗艦期刊Optica，併入選了2020年第7期封面文章。

清華大學申藝傑博士（現為英國南安普頓大學的瑪麗·居裡學者研究員）為該論文的第一作者和通訊作者，該工作為清華大學付星特別研究員課題組與南非金山大學Andrew Forbes課題組的合作項目成果，清華大學為論文的第一單位。該工作還得到了南非CSIR國家雷射中心、北京理工大學等單位的合作支持。此外，該工作獲得了國家自然科學基金、北京市自然科學基金的資助，以及清華大學光子測控技術教育部重點實驗室平臺的支持。

原文地址 https://doi.org/10.1364/OPTICA.382994