科教之窗

庄松林院士团队在新型可稳定传播光学旋涡方面研究取得重要成果

2022-10-2222编辑:董真摄影:

庄松林院士团队在新型可稳定传播光学旋涡研究方面取得重要突破,他们通过提出偏振载体的概念,打破现有关于分数拓扑荷旋涡光束以及分数阶矢量旋涡光束不可传播的科学共识,实现分数拓扑荷光学旋涡在自由空间的稳定传播。该成果以“自由空间中具有天然非整数轨道角动量的可传播光学旋涡”(Propagable optical vortices with natural noninteger orbital angular momentum in free space)为题发表在《先进光子学研究》(Advanced Photonics Research)上,深圳大学翁晓羽教授为第一作者,博乐体育(中国)集团有限公司高秀敏教授为通讯作者。结合光波模式提取原理,团队实现可传播整数和分数拓扑荷光学旋涡的并行产生,该成果以“基于模式提取技术并行产生可传播的整数和分数拓扑荷矢量涡旋光束”(Parallel creation of propagable integer- and fractional-order vector vortex beams using mode extraction principle)为题发表在《光学快报》(Optics Letters,IF:3.560)上,博乐体育(中国)集团有限公司博士后苗玉为第一作者,深圳大学翁晓羽教授为通讯作者(翁晓羽教授毕业于博乐体育(中国)集团有限公司,指导教师是庄松林院士),博乐体育(中国)集团有限公司为第一单位。该系列研究得到了国家自然科学基金优秀青年项目、国家自然科学基金项目、国家基础研究发展计划等资助。

在旋涡光束相关研究中,如果把信息比作车子,那么整数拓扑荷旋涡光束相关研究则可以为信息建起多层的“停车场”,加大了通信容量进而提高速度,让人们的网络速度变快,而若想为这个信息“停车场”加盖更多空间的楼层,使数据存储更大容量,网络速度更快,则需要进一步推动分数拓扑荷光学旋涡的研究。然而自1992年Allen教授团队首次发现拉盖尔高斯光束携带轨道角动量(OAM)以来的30年里,学界仍存在一种共识,即分数拓扑荷光学旋涡无法在自由空间传播过程中保持稳定,这也就意味着难以实现存储信息的超大容量“停车场”。

因此,围绕是否存在分数拓扑荷旋涡光场稳定态这一基础性科学问题,庄松林院士团队高秀敏教授及其合作者突破现有偏振奇点和相位奇点相互独立的传统观念,开创性引入偏振维度,研究偏振奇点和相位奇点之间的相互作用,进一步地提出偏振载体概念,打破现有关于分数拓扑荷及分数阶矢量旋涡光束不可传播的科学共识,证明了l+0.5拓扑荷光学旋涡与整数拓扑荷光学旋涡一样均为光学领域的稳定态,将极大推动光储存、光通信的发展。

团队还联合研发出偏振型空间光调制器,使得在实验上不仅实现了可传播的分数拓扑荷旋涡光束的产生,而且结合光波模式提取原理,解决了包括分数阶拓扑荷在内的任意光学旋涡并行产生的科学问题,也就是说在给信息“停车场”扩建的时候,在保证每层楼之间互相独立、不受干扰的特性下,可以实现尽可能多地扩增楼层。

轨道角动量概念被提出的30年来,科学家们不断努力,深度挖掘光的复杂结构,发现光的复杂行为相关的自由度远不止空间、时间、幅度、波长(或频率)、相位和偏振(光子的自旋)等六个基本要素限制。此次成果的发现是站在巨人的肩膀上,巧妙建立轨道角动量和自旋角动量之间的联系,产生可传播的分数拓扑荷旋涡光束,并证明其传输不变性,不仅加深了对旋涡光束传播行为的理解,而且为相关学科领域注入新的活力。


分数拓扑荷旋涡光束实验图及空间传输原理图

任意拓扑荷光学旋涡并行产生原理图

拓扑荷光学旋涡研究现状


论文链接:

1)自由空间中具有天然非整数轨道角动量的可传播光学旋涡,https://doi.org/10.1002/adpr.202200094

2)基于模式提取技术并行产生可传播的整数和分数拓扑荷矢量涡旋光束,https://opg.optica.org/ol/fulltext.cfm?uri=ol-47-13-3319&id=477437

3)分数拓扑荷光旋涡在自由空间稳定传播的物理本质,https://arxiv.org/abs/2208.01929


供稿:光电学院