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01
導(dǎo)讀
近日，來自英國南安普頓大學(xué)（University of Southampton）的申藝杰（清華大學(xué)精儀系博士）和南非金山大學(xué)（University of the Witwatersrand）的 AndrewForbes 等研究人員產(chǎn)生了一種新型矢量渦旋光束，突破了傳統(tǒng)自旋-軌道雙自由度糾纏態(tài)限制，而具多重自由度操控，首次實(shí)現(xiàn)可模擬多粒子糾纏態(tài)的經(jīng)典模式，這種“超自由度”光束可以直接產(chǎn)生于一個(gè)緊湊型微片激光器，為新型結(jié)構(gòu)光束的廣泛應(yīng)用拓展創(chuàng)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(fā)表于美國光學(xué)學(xué)會(huì)（OSA）旗艦期刊Optica，并入選了2020年第7期封面文章。

圖片來源：optica

02
背景介紹
矢量渦旋光具有隨空間變化的偏振矢量，以其獨(dú)特的自旋（SAM）-軌道角動(dòng)量（OAM）耦合性質(zhì)催生了廣泛的應(yīng)用，SAM對應(yīng)了光子偏振態(tài)，OAM對應(yīng)了空間渦旋相位，SAM-OAM雙自由度所構(gòu)成的不可分離疊加態(tài)也恰恰對應(yīng)了雙比特量子糾纏態(tài)，對光與物質(zhì)相互作用和經(jīng)典量子耦合系統(tǒng)等基礎(chǔ)物理效應(yīng)的研究具有重要價(jià)值，也在各個(gè)領(lǐng)域拓展了先進(jìn)的應(yīng)用，如大容量光通信，精密度量學(xué)，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(diǎn)。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(xiàn)。試想如果我們可以突破這一限制，構(gòu)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(tài)，開啟更多經(jīng)典量子耦合性質(zhì)的研究，衍生出數(shù)不勝數(shù)的結(jié)構(gòu)光應(yīng)用新技術(shù)。
另外，矢量渦旋光的產(chǎn)生一般都需要復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)和昂貴的調(diào)制器件，這成了阻礙其進(jìn)一步應(yīng)用的一大瓶頸。為尋求更緊湊的結(jié)構(gòu)光產(chǎn)生系統(tǒng)，對結(jié)構(gòu)光激光器的研究近年來吸引了越來越多的研究興趣。結(jié)構(gòu)光激光器要求多種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)光可以直接產(chǎn)生于一個(gè)簡單光學(xué)諧振腔，從而使得各種矢量渦旋結(jié)構(gòu)光束的產(chǎn)生系統(tǒng)更加小型化、緊湊化、高效化。試想如果我們只需要一個(gè)簡單激光腔就可以直接產(chǎn)生和控制結(jié)構(gòu)光的多個(gè)自由度，就可以極大簡化矢量渦旋光產(chǎn)生系統(tǒng)，推進(jìn)實(shí)用化進(jìn)程，方便新技術(shù)的拓展。
近日，來自英國南安普頓大學(xué)（University of Southampton）的申藝杰（清華大學(xué)精儀系博士生）和南非金山大學(xué)（University of the Witwatersrand）的 Andrew Forbes 等研究人員在美國光學(xué)協(xié)會(huì)（OSA）的頂級(jí)期刊 Optica 發(fā)表文章，一舉突破了這兩個(gè)學(xué)術(shù)難題：1. 超越自由度限制，2. 緊湊的結(jié)構(gòu)光產(chǎn)生系統(tǒng)；并入選期刊封面文章。本文創(chuàng)造性地提出并產(chǎn)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(tǒng)的OAM模式和偏振自由度（即SAM），還拓展了新的自由度：軌跡簡并度、軌跡相位、軌跡組合數(shù)等。這種新型結(jié)構(gòu)光束可以通過一個(gè)緊湊型微片激光器直接產(chǎn)生，為多自由度光束的廣泛應(yīng)用拓展創(chuàng)造了無限可能。

03
創(chuàng)新研究
傳統(tǒng)矢量渦旋光束具有圓柱對稱性結(jié)構(gòu)，是SAM偏振和OAM模式的糾纏疊加態(tài)，而表現(xiàn)為空間角向變化的偏振分布形態(tài)，其表征不會(huì)逃出這SAM-OAM雙自由度糾纏態(tài)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(zhuǎn)對稱性結(jié)構(gòu)，是傳統(tǒng)圓柱對稱結(jié)構(gòu)的廣義拓展，同時(shí)具備多重可操控自由度，除了包括傳統(tǒng)的OAM模式和偏振，還拓展了新的自由度如軌跡簡并度，軌跡相位，軌跡組合數(shù)等，首次實(shí)現(xiàn)矢量渦旋光的超自由度特性，實(shí)現(xiàn)了對應(yīng)多自由度多粒子糾纏態(tài)的經(jīng)典模式。
新結(jié)構(gòu)光束的產(chǎn)生方法是利用量子相干態(tài)中概率波包與粒子經(jīng)典運(yùn)動(dòng)軌跡相互耦合的原理，即SU(2)相干態(tài)，在經(jīng)典結(jié)構(gòu)光中構(gòu)造與這種相干態(tài)類似的結(jié)構(gòu)，從而使得結(jié)構(gòu)光產(chǎn)生波跡二象性，即這種幾何結(jié)構(gòu)光同時(shí)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激光腔中表征，即不同橫縱模頻率耦合的諧振腔結(jié)構(gòu)對應(yīng)不同周期振蕩的光跡軌道（如圖1）。這項(xiàng)工作創(chuàng)新性地發(fā)現(xiàn)：通過精確地控制腔內(nèi)對增益晶體的泵浦點(diǎn)，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(diǎn)，它們分享一個(gè)離軸泵浦光斑的增益，從而可以在諧振腔中同時(shí)產(chǎn)生兩種軌道而形成穩(wěn)定混合疊加態(tài)——稱為混合SU(2)相干態(tài)，進(jìn)而從一個(gè)諧振腔中直接發(fā)射出具有混合軌道疊加態(tài)的“波跡二象”結(jié)構(gòu)光。完備描述這種幾何模式需要三個(gè)新的自由度：頻率簡并度（Ω）決定軌跡簇中的光線數(shù)目；離軸度（N）決定軌道模的橫向尺度；振動(dòng)相位（?）決定軌跡簇中不同光線的相對位置和取向（如圖1c），并形成不可分離疊加態(tài)，即經(jīng)典糾纏態(tài)。

圖1混合SU(2)結(jié)構(gòu)光的產(chǎn)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并態(tài)，相應(yīng)頻率簡并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(chǎn)生兩種取向的周期軌道同時(shí)產(chǎn)生并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(jìn)一步，為了產(chǎn)生矢量結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)上巧妙地采用在軸截面具有各向異性的c-cut晶體作為增益介質(zhì)，由于光腔內(nèi)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(gè)軌道上的光形成了不同程度的偏振調(diào)制。為了產(chǎn)生渦旋結(jié)構(gòu)，采用了傳統(tǒng)柱透鏡像散模式轉(zhuǎn)換器，由于SU(2)相干態(tài)模式可以看作本征模的疊加波包，因而可類似傳統(tǒng)HG到LG模式轉(zhuǎn)換的過程引入OAM，這個(gè)過程中橫向離軸度被轉(zhuǎn)化為OAM，同時(shí)波跡二象性使得光束具有雙層雙曲直紋線渦旋結(jié)構(gòu)，橫截面上每層構(gòu)成正多邊形陣列，兩層合并為標(biāo)準(zhǔn)多角星形狀（如圖2）。綜合兩種調(diào)制方法，標(biāo)量混合SU(2)平面結(jié)構(gòu)光可以拓展為矢量混合SU(2)渦旋結(jié)構(gòu)光，形成多自由度操控的SAM-OAM耦合態(tài)，其中頻率簡并度（Ω）決定橫截面多角星的邊數(shù)（五角星：Ω=1/5；六角星：Ω=1/6；等等）；軌道角動(dòng)量（?）決定光束空間尺寸和扭曲程度，相位?決定多角星圖案的取向角。

圖2 混合SU(2)結(jié)構(gòu)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(shí)驗(yàn)（Exp）結(jié)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(jié)構(gòu)矢量渦旋光具有比傳統(tǒng)矢量光或渦旋光更豐富的拓?fù)湎辔黄纥c(diǎn)和偏振奇點(diǎn)，對于不同的矢量狀態(tài)，光束中展現(xiàn)了不同程度萬花筒狀的偏振奇點(diǎn)分布（圖3）。另外，這種新型結(jié)構(gòu)光還具有額外的新自由度有待拓展。例如，以上展示的頻率簡并態(tài)中，混合軌道只有一種疊加的方式去滿足共用一對拐點(diǎn)與泵浦光斑同時(shí)匹配的調(diào)節(jié)，而在更高階的頻率簡并態(tài)下，隨著腔內(nèi)振蕩軌道拐點(diǎn)數(shù)的增加，理論上將可能存在多種混合軌道疊加態(tài)，這一可能存在的疊加態(tài)數(shù)目——軌道組合數(shù)，將是一個(gè)可以被操控的嶄新自由度。此外，以上結(jié)果只展示了兩個(gè)獨(dú)立軌道態(tài)疊加態(tài)的結(jié)果，而在更高階的頻率簡并態(tài)下，理論上將有可能存在三重、四重、甚至更多重軌道疊加態(tài)，使得光束具有更奇異的形狀和更豐富的性質(zhì)。

圖3 混合SU(2)結(jié)構(gòu)矢量渦旋光的拓?fù)湎辔缓推衿纥c(diǎn)。
圖片來源：Optica Vol. 7, Issue 7, pp. 820-831 (2020)（Fig.5）

04
應(yīng)用與展望
“超自由度”矢量渦旋光的出現(xiàn)打破了傳統(tǒng)自旋-軌道角動(dòng)量雙自由度的限制，從此光束結(jié)構(gòu)可以模擬多粒子多自由度的糾纏態(tài)，使得發(fā)展高維多通道大容量的量子和經(jīng)典光通信技術(shù)成為可能。多自由度結(jié)構(gòu)光的出現(xiàn)也預(yù)示了傳統(tǒng)光鑷和粒子操控技術(shù)的革新，即多個(gè)粒子可以被同一束光捕獲并控制它們的多自由度運(yùn)動(dòng)。同時(shí)該新型結(jié)構(gòu)光也可用于加工領(lǐng)域，通過更豐富、可定制的微納結(jié)構(gòu)在材料上進(jìn)行高效加工。新型光束更為精密的奇點(diǎn)分布也適合發(fā)展新的超分辨成像和精密測量技術(shù)（關(guān)于更多應(yīng)用，推薦閱讀該課題組的 Light: Science & Applications 綜述論文：）。更重要的是，這種新型結(jié)構(gòu)光束可以通過一個(gè)緊湊型微片激光器直接產(chǎn)生，為新型多自由度光束的廣泛應(yīng)用拓展創(chuàng)造極大的方便和無限可能。

05
作者簡介

申藝杰 博士
申藝杰現(xiàn)為英國南安普頓大學(xué)瑪麗·居里學(xué)者研究員（Marie S.-Curie Research Fellow），于光電研究中心（Optoelectronics Research Centre，ORC）納米光學(xué)與超材料組（Nikolay I. Zheludev課題組）進(jìn)行研究。2015年獲得華南理工大學(xué)獲得機(jī)械工程及自動(dòng)化專業(yè)學(xué)士學(xué)位；2019年獲得清華大學(xué)精密儀器系光學(xué)工程專業(yè)博士學(xué)位；2019年3月到6月期間受邀為訪問學(xué)者于南非金山大學(xué)物理學(xué)院結(jié)構(gòu)光實(shí)驗(yàn)室（Andrew Forbes課題組）與南非CSIR國家激光中心進(jìn)行合作研究。
申藝杰當(dāng)前的研究領(lǐng)域?yàn)榻Y(jié)構(gòu)光操控，光學(xué)角動(dòng)量，量子糾纏，超快非線性光學(xué)，納米光學(xué)與超材料。
申藝杰是2019年王大珩光學(xué)獎(jiǎng)獲得者，現(xiàn)為中國光學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)員，中國力學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)員，美國光學(xué)學(xué)會(huì)（OSA）特邀會(huì)員（系統(tǒng)與儀器組資深會(huì)員），中國國家一級(jí)計(jì)算機(jī)制圖員。擔(dān)任Opt. Lett., Opt. Express, IEEE Photon. J.,J. Opt.等多個(gè)國際學(xué)術(shù)期刊審稿人，J. Opt.期刊學(xué)術(shù)顧問委員會(huì)成員，獲得 2019年度英國皇家物理學(xué)會(huì)（IOP）杰出審稿人榮譽(yù)。在國際學(xué)術(shù)會(huì)議及研究機(jī)構(gòu)做學(xué)術(shù)報(bào)告10余次，以第一作者及通訊作者在物理及光學(xué)領(lǐng)域知名期刊Light: Sci. & Appl., Optica, Phys. Rev. A, Opt. Lett., Opt. Express等發(fā)表學(xué)術(shù)論文40余篇并有數(shù)百次引用。
06
文章信息
相關(guān)成果以“ Structured ray-wave vectorvortex beams in multiple degrees of freedom from a laser ”為題，近期發(fā)表于美國光學(xué)學(xué)會(huì)（OSA）旗艦期刊Optica，并入選了2020年第7期封面文章。
清華大學(xué)申藝杰博士（現(xiàn)為英國南安普頓大學(xué)的瑪麗·居里學(xué)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(xué)付星特別研究員課題組與南非金山大學(xué)Andrew Forbes課題組的合作項(xiàng)目成果，清華大學(xué)為論文的第一單位。該工作還得到了南非CSIR國家激光中心、北京理工大學(xué)等單位的合作支持。此外，該工作獲得了國家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金的資助，以及清華大學(xué)光子測控技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)的支持。
原文地址 https://doi.org/10.1364/OPTICA.382994