上海理工大學(xué)莊松林院士、顧敏院士領(lǐng)導(dǎo)的未來光學(xué)國際實驗室在光子軌道角動量研究領(lǐng)域再次取得重大突破。據(jù)了解,由詹其文教授領(lǐng)銜的納米光子學(xué)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(chuàng)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(xué)、粒子操控、粒子碰撞、相對論空間物理等領(lǐng)域具有較大的研究和應(yīng)用價值。該研究成果以“Generation of spatiotemporal optical vortices with controllable transverse orbital angular momentum”為題于2月24日在線發(fā)表在世界光學(xué)頂尖期刊《自然-光子學(xué)》上。
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(guān)的自旋角動量和與渦旋相位相關(guān)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(xué)等方面得到了廣泛的研究和應(yīng)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(zhuǎn),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(zhuǎn),類似于地球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)。近年來,研究表明在高數(shù)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(guān)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。
上海理工大學(xué)團隊利用基于空間頻率-頻率面到空間-時間面的傅里葉變換,成功生成并表征了攜帶橫向光子軌道角動量的超短脈沖光學(xué)波包。這一新型光波包具有橫向多色波渦旋相位結(jié)構(gòu),在光子能量快速向前傳輸?shù)耐瑫r,光子能流圍繞一個隨波包移動的橫向軸旋轉(zhuǎn),形成類似于快速移動的光子“颶風(fēng)”。光子橫向軌道角動量理論上可以具有無窮多個數(shù)值,也稱為拓?fù)浜?,可以通過多色波渦旋相位來控制。
光子橫向軌道角動量的突破性研究進展是上海理工大學(xué)在光子軌道角動量研究領(lǐng)域又一重大突破。這一研究揭示了一個全新的光場態(tài),開辟了一個新的光子軌道角動量維度,在光場與原子分子相互作用以及微納結(jié)構(gòu)與器件、宏觀宇宙及相對論研究等方面具有廣闊的潛在應(yīng)用前景。
橫向軌道角動量示意圖
原文鏈接:http://www.usst.edu.cn/2020/0225/c35a36664/page.htm
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