封底论文 | 时空光场调控以及时空光涡旋波包的研究进展

图1 时空光场生成装置

时空光场生成器的结构与传统脉冲整形装置几乎完全相同。如图 1所示，生成器中依次排列的衍射光栅、柱透镜、二维空间光调制器（SLM）、柱透镜、衍射光栅可以实现对入射光场的空间-频率域（x-Ω）光场实施相位调控。在生成器后，光场的不同频率域分量将在第二次经过衍射光栅时合成，重构为准直的出射光场。出射的时空光场在自由空间传播时将收到衍射效应的影响，根据传播距离可以将生成器的工作模式分为：远场模式、近场模式以及介于两者之间的过渡模式；图 2展示了利用时空光场生成器产生的时空光涡旋光场、时空光涡旋阵列以及贝塞尔时空光涡旋光场。这几种时空光场分别利用了生成器的远场模式、近场模式以及过渡模式得以实现。

图2 时空光涡旋、时空光涡旋阵列以及贝塞尔时空光涡旋光场

图3 加载其他光学奇点的新型时空光涡旋光场

带有涡旋相位的光场可携带光子轨道角动量，传统光场调控技术利用了涡旋相位板、空间光调制器等器件生成了涡旋光束，这一光场的光子轨道角动量平行于光子平均动量的方向。在2020年，上海理工大学詹其文教授课题组利用空间光调制器在入射光场的空间-频率域内施加涡旋相位，产生了时空域内的时空光涡旋光场。这一光场携带纯的光子横向轨道角动量，角动量的方向垂直于光子的平均动量方向。这一发现为光场调控领域扩展了新的维度，并得到国内外课题组的关注。美国的标准计量局（NIST）和马里兰大学研究团队分别利用时空光涡旋的二次谐波实验证明了光子横向轨道角动量在非线性物理过程中守恒的特性。此外，当时空光涡旋与其他光学奇点例如空间域内的相位奇点、空间域内的偏振态奇点相结合，可以产生具有任意轨道角动量指向以及可以同时携带多种光学奇点的新型时空光场（见图 3）。这些新型时空光场在传播、聚焦条件下可以具备多物理量的复杂时空分布，大大丰富未来关于光子自旋-轨道角动量相互耦合研究的工具库。

詹其文，上海理工大学教授，纳米光子学重点建设创新团队首席科学家，博士生导师。主要研究方向：光场调控，纳米光子学，纳米表征，生物光子学。1996年获中国科学技术大学物理学士学位，2002年获美国明尼苏达大学电子工程博士学位，同年获美国代顿大学电子光学系教职，历任助理教授(2002年)，终身制副教授(2008年)，终身制教授(2012年)，创立代顿大学纳米电子光学实验室及代顿大学Fraunhofer中心并担任主任。现任Optica副主编，PhotoniX副主编，Scientific Reports编委，Journal of Nondestructive Evaluation编委，中国光学学会理事；由于在光场调控及纳米光子学领域的开创性工作，分别于2012年和2013年获选国际光电学会（SPIE）Fellow和美国光学学会（OSA）Fellow；在重要国际学术期刊发表论文160余篇，文章引用>10，000次(最高单篇引用>2300次)；出版专著1部、专著章节10章，获授权国际专利6项、中国专利4项。

曹前，上海理工大学光学工程流动站沪江博士后。主要研究方向：超快光学，时空光场调控，非线性光学。2012年毕业于复旦大学光科学与工程系；2014年获美国代顿大学光电子专业硕士学位；2020年获德国汉堡大学物理系博士学位；同年加入上海理工大学光电信息与计算机工程学院COSMOS研究课题组从事博士后工作，研究方向包括超快光学、时空光场调控、非线性光学等，曾在Science Bulletin，Photonics Research,，Optics Express等学术期刊发表论文11篇（其中第一作者3篇），目前主持国家自然科学基金青年科学基金项目1项、上海市科学技术委员会科研项目1项。