APL封面 | 多维自由加速的“星系”涡旋光

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撰稿|由课题组供稿

导读

近日，来自清华大学柳强教授课题组（Tsinghua University）的潘婧（清华大学精仪系博士）和英国南安普顿大学（University of Southampton）的申艺杰（清华大学精仪系博士）等研究人员提出并生成了一类基于圆形艾里涡旋模式的满足SU（2）相干态数学形式的结构光。这种波包具有强大的自聚焦能力，且具有径向和角向自加速，三维非均匀旋转特性，以及类似于星系运动学的多层旋转的全局空间对称性，称为星系波。星系波对调控强聚焦和自加速具有更高的自由度，这为结构光场的多维加速开辟了新方向，在光学捕获、制造和非线性光学领域有着广泛的应用前景。该成果以“Airy coherent vortices: 3D multilayer self-accelerating structured light”为题，近期作为封面文章和亮点文章（Featured article）发表于美国物理联合会（AIP）旗舰期刊Applied Physics Letters。

研究背景

艾里光束具有自加速特性，已应用于光学成丝、粒子操控和成像等领域。同时，携带轨道角动量（OAM）的光束在经典和量子场景中也具有巨大应用潜力。随着涡旋相位的引入，艾里涡旋光束既具有自加速特性，又具有旋转波前特性。然而，圆形艾里涡旋光束（CAVBs）的同心圆强度分布没有特殊的角度特性，对其应用提出了很大的挑战，特别是在粒子操纵方面。因此研究人员又产生了将两个CAVB简单叠加的龙卷风波，但该波包的旋转角速度仅在传播维度发生变化。为了控制三维几何模式，具有一般SU（2）对称性的量子模拟相干态被广泛用于设计具有稳定模式和可控轨迹的复杂空间波包。然而，用这种方法设计的现有模式不能实现自加速，缺乏三维空间的角速度演化，限制了应用的扩展。

 

因此，为了打破可调自加速维度的限制，我们基于艾里涡旋光束和SU(2)相干态数学表达形式，提出了一类新的结构光，其波包具有三维非均匀角速度演化特性，即其峰值点在传播时实现自加速以及在x-y平面上以不同角速度旋转。强度峰与多层星系运动学具有相似的运动，因此我们将光束称为星系波。

研究亮点

自加速光束在实际应用中具有很大潜力，但是由于其自加速维度而受到限制。而本研究基于CAVB设计了一类自加速结构光，其波包由CAVB作为基底，结合具有稳定模式和可控轨迹的SU（2）相干态数学表达形式叠加产生，如图（1），并在实验上基于空间光调制器实现，实验装置光路图及模式演化结果如图（2）。在传输时星系涡旋径向多层强度峰值区域具有旋转角速度不均匀性，且在传输方向强度峰值具有双峰分布，如图（3）。通过精心调整叠加模式阶数，叠加模式个数，对称性等相关参数，可以实现内外强度峰值区的旋转角速度和模式对称性的调控，如图（4）和（5）。由于横向非均匀旋转分布和纵向传播演化，星系波为三维粒子操纵提供了独特的势阱，其应用仿真如图（6）。

图1 星系涡旋的设计。

 

（图片来源：Applied Physics Letters（Fig.1））

图2 星系涡旋的(a)实验装置及(b)传输演化结果。

 

（图片来源：Applied Physics Letters（Fig.2））

图3 星系涡旋双层峰值区域的(a)传输演化图,(b)角度演化以及(c)角速度演化。

 

（图片来源：Applied Physics Letters（Fig.3））

图4 （a）和（b）模式阶数及叠加个数相关参数对星系涡旋的角度及角速度传输演化调控及（c）和（d）其对应光场演化。

（图片来源：Applied Physics Letters（Fig.4））

图5 对称性参数对模式空间全局对称性的调控。

 

（图片来源：Applied Physics Letters（Fig.5））

图6 星系涡旋演化特性在粒子操控中的应用仿真:（a）和（c）梯度力分布；（b）和（d）势阱分布。

 

（图片来源：Applied Physics Letters（Fig.6））

总结与展望 

本工作设计了一种新型的自加速结构光，称为星系波，它具有径向多层光强峰值区域和不均匀的旋转角速度演化。其峰值强度具有三维差分分布，提供了三维梯度力分布，并且可以通过对各叠加分量的阶数，叠加模式个数，对称性参数等相关参量的调控实现对内外强度峰值区域的旋转角速度和模式对称性的调控。由于其出色的灵活性，大大增加了光整形和自加速的可调谐性，从而为粒子操控和非线性光学等应用提供了新的发展维度。

 

文章信息

Airy coherent vortices: 3D multilayer self-accelerating structured light
J. Pan, H. Wang, Y. Shen, X. Fu, Q. Liu
Appl. Phys. Lett. , in press (2022) doi: 10.1063/5.0104188

 https://doi.org/10.1063/5.0104188