科学家发现一种超短涡旋脉冲,可在空间中对光进行多维结构化控制!

   电子分析员        

近年来,超脉冲涡旋光束的空间光谱传播动力学被二维谱矩映射所证实。被称为“光谱眼”的特征异常的旋转可以用依赖于波长的Gouy相移来解释。这种光谱旋转的控制对于特定的应用是必不可少的,例如,通信和处理。在这里,研究人员报告先进的概念光谱转动控制和相关的第一原理证明实验。在传播过程中,光谱眼的旋转速度基本上是由角度和光谱参数决定的。比较了作为螺旋相位光栅或螺旋相位板的固定衍射光学元件和可编程液晶硅空间光调制器的性能。将该方法推广到径向啁啾诱导轴向变角速度的SPGs中。研究人员提出了利用多涡脉冲叠加产生随时间变化的轨道角动量(自转矩)的方法。


相关论文以题为“Ultrashort Vortex Pulses with Controlled Spectral Gouy Rotation”发表在《Applied Sciences》上。



轨道角动量(OAM)光束或涡旋光束以扭曲波前传播,属于光学技术的“核心概念”。它们的拓扑电荷是OAM密度的一种度量。特定的拓扑自由度可用于光镊、原子和分子的动量传递材料的微结构、显微镜、光学处理、通讯和其他高级应用。对于信息传输,拓扑电荷的调优和切换是一个明显的选择。除了方位角自由度,轴向传播特性也可以被构造。结果表明,当OAM是全局守恒时,多个类贝塞尔模的干涉可以使局域拓扑电荷轴向成形。研究了振幅和相位梯度以及强度诱导非线性对涡旋传播的影响。


扭曲波前和超短脉冲持续时间的组合为高数据速率光通信、非线性激发或光处理开辟了特定的通道。超快奇异光学本身是多色的,并使多维结构的光在光谱,时间和空间域。在极短的脉冲持续时间下,由脉冲旅行时间和角几何引起的时空耦合效应会导致高度复杂的传播效应和拓扑电荷谱的相关限制。然而,当脉冲持续时间和相应的光谱带宽在10 nm范围内时,时空耦合通常可以被忽略。相反,在相位奇点附近的空间光谱图显示了各种具有特殊性质的光谱异常,即所谓的“光谱眼”。光谱眼在奇异光学领域已经很长时间了,它代表多色OAM光场的蓝移和红移光谱重心(COG)区域。光谱重分布主要是由于在相位不连续处的依赖波长的绕射造成的,例如螺旋相位板的相位阶跃、叉形光栅中不同空间频率区域之间的转换或螺旋相位光栅的不对称相位结构。在所有情况下,涡是由打破对称的几何构型产生的。


与旋转强度模式相比,谱高旋转是一种更为微妙的效应。一方面,相关的实验似乎更加复杂。另一方面,对特定的、通常是隐藏的自由度的访问使加密、计算或度量技术的替代概念成为可能。确定调节光谱古瓦旋转的关键参数是实现潜在应用的必要前提。在这里,研究人员报告了原理验证实验的结果,目的是控制旋转光谱眼睛的角频率。比较了不同类型螺旋相整形器的性能。演示了用可编程的径向啁啾螺旋光栅产生轴向可变角速度。此外,与最近引入的“自转矩”概念相似,研究人员提出了一种利用多束OAM光束的旋转跳动来实现谱域内脉冲旋转管理的方法。


数值模拟


为了对光束动力学进行数值分析,计算了传播距离z处的局部光谱强度分布S(x,y,环境参数)的2d图,并在波传播软件VirtualLab 7.5 (LightTrans, Jena, Germany)的基础上进行了仿真。特别地,假设全宽半最大值(FWHM)带宽为12 nm的高斯谱分布,这接近实际的实验条件。摘要利用一束腰半径为w0 = 100′m的高斯光束对周期为8′m、相行程为2′m(波长为800 nm)的二元螺旋相位光栅进行了模拟,模拟了小孔径器件的衍射。为了过滤得到的空间光谱图的基本特征,确定了局部统计矩M(i)(x,y,年)。与此同时,这种光谱图像处理程序也使人们能够减少空间中每个点包含完全扩展光谱的大数据。图1显示了数值模拟重心(COG)的结果,即选取的z在4 ~ 11 mm之间的值,其第一谱矩M(1)(x,y)以∆z = 0.5 mm的级数递增(参见补充材料中的可视化影片)。图形的颜色代码达到大约793纳米(蓝移部分)到大约808纳米(红移部分)。光谱间隔的限制根据轴向距离略有变化,以最佳地可视化光谱图。然而,应用尺度的变化没有超过0.9 nm。发散高斯光束引起空间尺度随距离的增加而拉伸。




图1.飞秒涡旋脉冲在空气(FOV = 12×12°2)空间光谱传播中旋转异常的数值模拟。在距离z为4到11毫米之间的局部光谱力矩的重心(COG)显示了在整个光谱Gouy旋转期间光谱眼在奇点周围的循环。诱发轨道角动量,二进制螺旋相位光栅一段8µm和阶段的2π的中心波长800 nm被高斯光束照亮的半宽度(应用)的光谱带宽12海里的腰半径w0 = 100µm。颜色编码从蓝色尾的下限(蓝尾)到蓝色尾的上限(红尾)最大值(蓝尾)= 808 nm(±0.9 nm)。


用固定和自适应元件整形飞秒涡旋脉冲


图2所示为脉冲多色贝塞尔-高斯光束在光谱域内旋转脉冲控制的实验装置。研究采用线性偏振Ti: sapphire激光振荡器作为光源,最大光谱半宽12 nm,最小脉冲持续时间80 fs,中心波长795 nm,重复率80.2 MHz,脉冲能量<8 nJ)。他们研究了自适应无源光学元件产生具有可变空间光谱参数的OAM光束的能力,特别是控制蓝移和红移光谱眼对的光谱Gouy旋转。Bessel-Gauss梁是由静态光刻结构化,递送的螺旋相位光栅(SPG)和continuous-relief螺旋相位板(许可证),或螺旋和叉形光栅灵活编程的相图liquid-crystal-on-silicon (LCoS)空间光调制器(SLM)(盖亚2,HOLOEYE光子学AG),柏林,德国)。SLM能够在58 Hz的帧率和8位的动态范围内,以3.74的分辨率和90%的填充因子分别寻址4160×2464像素。反射工作模式要求工作在一个倾斜的入射角度,以避免插入色散分光器。所产生的几何畸变在一个空间方向上可以很容易地通过适应线性变换(拉伸或收缩)与可编程显示纠正。为了保证线性运算,选择了SLM上的平均激光功率密度。



图2.飞秒涡旋脉冲产生和检测的实验装置。轨道角动量可由空间光调制器(SLM)、透射衍射螺旋相位光栅(SPG)或反射螺旋相位板(SPP)作为波束整形器来诱导。用显微镜放大涡流,用扫描光纤光谱仪进行光谱分析。光纤通过高精度的xyz平移台移动。从检测到的局部光谱中,提取每个距离z的光谱统计矩M(j) (x,y)的二维图。


应用螺旋相位整形器的参数


研究人员实验中使用的螺旋相位光栅的相关几何参数列于表1。为了定量地比较衍射的影响,在中心波长为800纳米的轴向焦区深度的一半的菲涅尔数被包括在内。表1中选取的三个螺旋光栅中心部位的显微镜图像如图3所示。



图3.在实验研究中,所选螺旋相位光栅(SPGs)用作涡旋光束整形器的部分:(a-c)固定的衍射元件(左)和(d)被编程成SLM灰度图的螺旋结构(右)。这些元素分别对应于表1中的配置3、4、6和2。


表1.作为轨道角动量(OAM)波束成形器的螺旋相位光栅的几何参数。



光谱控制通过调谐中心波长和带宽


为了研究光谱输入参数的变化对光谱矩的影响,研究人员对中心波长和半宽半频宽进行了轻微的改变(图4a,b)。产生了三个紧密相邻的中心波长。



图4.光谱控制(a)优化通过激光中心波长模式调整(1 - 3:三种状态显示与中心波长798 nm、800 nm、802 nm,分别),(b)光谱带宽变化的半最大值宽度∆λ为单个选择激光模式(中心波长λ0 = 798海里)2.5和8.5 nm之间。


正如预期的那样,输入光谱带宽的增加会导致光谱眼的带宽增加,如图5所示。传输特性也使人们能够在没有光谱重叠的情况下确定通道分离的范围,这可能与实际应用有关。为了避免误解,必须说明曲线中的基本信息不是带宽传输。这对曲线与光谱眼有关,每对曲线的上半部对应红移部分,下半部对应蓝移部分。纵坐标值代表光谱眼的光谱坐标。它们的距离不是输出带宽的直接度量。



图5.在(1)798 nm、(2)800 nm和(3)802 nm(光谱剖面在图4a中)三个波长范围内,将光谱转换为涡旋光束作为输入光谱半宽带宽的函数。填充符号:上限,空心符号:光谱眼中光谱含量的下限。


结论


综上所述,超脉冲多色OAM光束的光谱Gouy旋转可作为进一步的信息传输通道,并可在计量学、光学处理或选择性激发和操作中得到应用。特别地,研究人员证明了通过选择角度和光谱参数来控制Gouy相移可以控制传播超短涡旋脉冲光谱眼的旋转。在奇点附近出现的低对比度光谱异常要求人们以较高的空间和光谱分辨率进行工作,并开发适于光谱图像处理的统计工具。提出了轴向加速谱古伊旋转的生成方法。目前,基于液晶空间光调制器和微机电系统的可编程径向啁啾螺旋相位光栅正在研究中。引入了谱域旋转“自转矩”的概念。这种效应可以通过不同光谱高倍旋转的多个OAM脉冲叠加得到。轴向旋转加速度和光谱自转矩效应所带来的额外自由度可以在奇异光学处理中得到应用。


论文链接:https://www.mdpi.com/2076-3417/10/12/4288/htm



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