[發明專利]產生時空渦旋光場的方法及時空渦旋光場的檢測方法

有效

• 申請號: 201910836747.3
• 申請日: 2019-09-05
• 公開（公告）號: CN110501817B
• 公開（公告）日: 2021-07-13
• 發明（設計）人: 詹其文;鄭震洧;萬辰皓;陳建
• 申請（專利權）人: 上海理工大學
• 主分類號: G02B27/09
• 分類號: G02B27/09;G02F1/13
• 代理公司: 上海申匯專利代理有限公司 31001
• 代理人: 徐穎

本發明涉及一種產生時空渦旋光場的方法及時空渦旋光場的檢測方法，通過在空間頻率?頻率面，對啁啾飛秒激光脈沖施加渦旋相位，從而在時間?空間面產生渦旋光場。再通過參考超快脈沖會與被測量的時空渦旋光場進行干涉，測量和記錄干涉條紋的強度分布，最后通過在時間維度上的幾百個切片形成的干涉條紋，重建時空渦旋光場的相位分布信息和空渦旋光場的三維強度分布信息。不需要利用復雜的非線性效應，即可方便的產生具有可控純橫向光學軌道角動量的時空渦旋光場，光能在空間和時間維度上流動，具有新穎獨特的應用前景；本發明方法也可推廣到其它光譜范圍甚至其它具有波動特性的物理場，為在更廣范圍內研究具有時空渦旋的物理場提供了開創性的方法。

技術領域

本發明涉及一種光學技術，特別涉及一種產生時空渦旋光場的方法及時空渦旋光場的檢測方法。

背景技術

眾所周知，光具有沿傳播方向的線性動量。此外，光也具有角動量。光的角動量包括與圓偏振相關的自旋角動量和與渦旋相位相關的軌道角動量。光的自旋角動量一般是縱向的。光的縱向自旋角動量對應左旋圓偏振和右旋圓偏振兩個狀態。近年來，光的橫向自旋角動量開始被發現，例如緊聚焦的光束以及波導的倏逝波。橫向自旋角動量的獨特性質被逐漸應用于自旋軌道角動量耦合、量子光學通信以及光鑷等新方向。

另一方面，光學軌道角動量與光學自旋角動量的性質截然不同。光學軌道角動量通常是在光束的橫截面施加螺旋相位而產生，該螺旋相位旋轉一周的相位變化量一般是2的整數倍，這個整數被稱為拓撲荷。螺旋相位的旋轉方向對應拓撲荷的正負號。螺旋相位的中心是一個相位奇點，強度為0，因此光束橫截面的光強分布為環形，這樣的具有渦旋相位的光場的Poynting矢量具有橫向分量，橫截面上不同位置的Poynting矢量的橫向分量環繞相位奇點。與光學自旋角動量只有兩個態不同，光學軌道角動量的態的數目是無窮的，因為拓撲荷可以取任意的整數。光學軌道角動量可應用于光鑷、超分辨率顯微鏡以及高速光通信。

上述光學軌道角動量的方向是縱向的，而橫向光學軌道角動量的研究還非常稀少。有限的理論工作表明，橫向光學軌道角動量可能以時空渦旋光場的形式存在。在極高功率脈沖激光和空氣的非線性相互作用中，一小部分能量在子午平面內循環流動，形成具有橫向光學軌道角動量的的時空渦旋光場。上述實驗需要復雜的非線性相互作用，而且只有一小部分能量具有橫向光學軌道角動量，不適合實際應用。

發明內容

本發明是針對時空渦旋光場的應用問題，提出了一種產生時空渦旋光場的方法及時空渦旋光場的檢測方法，利用鎖模啁啾脈沖和液晶光調制器，進行時空傅里葉變換，產生時空渦旋光場。

本發明的技術方案為：一種產生時空渦旋光場的方法，通過在空間頻率-頻率面，對飛秒激光器發出的啁啾脈沖施加渦旋相位，從而在時間-空間面產生渦旋光場。

所述在空間頻率-頻率面，對啁啾脈沖施加渦旋相位具體方法：首先，飛秒激光器發出的啁啾脈沖先后經過衍射光柵和柱透鏡進行時間-頻率域的傅里葉變換，再入射到液晶光調制器在空間頻率-頻率面施加渦旋相位。

所述液晶光調制器的渦旋相位可控，可取任意的拓撲荷，并且相位奇點的位置也可選擇。

所述啁啾脈沖為鎖模飛秒激光器產生的脈寬為3ps的啁啾脈沖。

所述啁啾脈沖先后經過衍射光柵和柱透鏡進行時間-頻率域的傅里葉變換，再入射到液晶光調制器在空間頻率-頻率面施加渦旋相位，最后在自由空間的傳播完成空間-空間頻率的傅里葉變換，自由空間傳播距離大于瑞利距離，完成時空兩個維度的傅里葉變換，產生時空渦旋光場。