作者：萬(wàn)辰皓 Andy Chong 詹其文
（上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院）
眾所周知，光子具有沿傳播方向的線性動(dòng)量。光子的線性動(dòng)量在光與物質(zhì)的相互作用中具有重要的作用。光子與物質(zhì)的動(dòng)量交換可以產(chǎn)生光壓。2018 年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的光鑷技術(shù)基于微納米顆粒對(duì)光子動(dòng)量改變產(chǎn)生的光場(chǎng)梯度力。光子也具有沿傳播方向的角動(dòng)量，包括與圓偏振相關(guān)的自旋角動(dòng)量和與渦旋相位關(guān)聯(lián)的軌道角動(dòng)量。近年來(lái)，研究表明在高數(shù)值孔徑聚焦光場(chǎng)和隱失波光場(chǎng)中存在垂直于光束傳播方向的光子橫向自旋角動(dòng)量[1]。那么是否存在垂直于光束傳播方向的光子橫向軌道角動(dòng)量呢(圖1)？我們最新的研究給出了肯定的答案，成果發(fā)表于《自然—光子學(xué)》[2]。
圖1 攜帶光子縱向軌道角動(dòng)量的空間渦旋光場(chǎng)和攜帶光子橫向軌道角動(dòng)量的時(shí)空渦旋光場(chǎng)[2]
早在1909 年，英國(guó)物理學(xué)家坡印亭就指出，圓偏振光攜帶自旋角動(dòng)量[3]。但是直到1992 年，科學(xué)家們才發(fā)現(xiàn)具有渦旋相位的光束，比如拉蓋爾—高斯光束、貝塞爾光束，攜帶軌道角動(dòng)量[4]。光子角動(dòng)量在高速光通信、粒子操控、全息成像、量子光學(xué)等方面得到了廣泛的研究和應(yīng)用[5—7]。在粒子操控方面，光子的自旋角動(dòng)量可以使粒子以自身為軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，而光子的軌道角動(dòng)量可以使粒子以光束中心為軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，類似于地球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)。在高速光通信方面，不同于以往的波分復(fù)用和偏振復(fù)用技術(shù)，光子的軌道角動(dòng)量提供了一個(gè)全新的自由度。具有不同拓?fù)浜傻臏u旋光束可以加載不同的光信號(hào)，并通過(guò)自由空間或者波導(dǎo)傳輸，然后在輸出端進(jìn)行解復(fù)用。
近年來(lái)，科學(xué)家在研究高數(shù)值孔徑聚焦光場(chǎng)和隱失波光場(chǎng)時(shí)發(fā)現(xiàn)了垂直于光束傳播方向的光子橫向自旋角動(dòng)量[8，9]。在高數(shù)值孔徑聚焦的光場(chǎng)以及隱失波光場(chǎng)中，均可存在沿光束傳播方向的電場(chǎng)分量，而這個(gè)沿光束傳播方向的電場(chǎng)分量與垂于于光束傳播方向的電場(chǎng)分量具有π/2 的位相差，可構(gòu)成圓偏振態(tài)，且對(duì)應(yīng)的光子自旋角動(dòng)量垂直于傳播方向，稱之為光子橫向自旋角動(dòng)量。光子橫向自旋角動(dòng)量在光子自旋—軌道角動(dòng)量耦合、量子光通信和表面等離激元定向傳播等方面得到了廣泛關(guān)注和研究[10—12]。以表面等離激元定向傳播為例，基于時(shí)間反演的原理，如果在介質(zhì)—金屬界面生成一個(gè)旋轉(zhuǎn)的電偶極子，這個(gè)電偶極子激發(fā)的表面等離激元的傳播方向就與這個(gè)旋轉(zhuǎn)的電偶極子的旋向相關(guān)。換句話說(shuō)，可以通過(guò)光子自旋的方向來(lái)控制波導(dǎo)中電磁波或者表面等離激元的傳播方向。與光子自旋角動(dòng)量類似，光子軌道角動(dòng)量通常是沿光束傳播方向，而垂直于光束傳播方向的光子橫向軌道角動(dòng)量鮮見(jiàn)報(bào)道。
2012 年以來(lái)的理論研究表明，如果一個(gè)觀察者以接近光速的速度在垂直于空間渦旋光束的方向上移動(dòng)，這個(gè)觀察者觀察到的渦旋光場(chǎng)攜帶的光子軌道角動(dòng)量不再是沿光束傳播方向，而是具有一定的傾角。傾斜的光子軌道角動(dòng)量矢量具有一個(gè)沿光束傳播方向的分量和一個(gè)垂直于光束傳播方向的分量。但是這種理論研究在目前還很難被實(shí)驗(yàn)直接驗(yàn)證。
另外，理論研究預(yù)測(cè)光子橫向軌道角動(dòng)量也可以時(shí)空渦旋光場(chǎng)的形式存在[13]。但是，關(guān)于如何產(chǎn)生具有時(shí)空渦旋相位光場(chǎng)的研究進(jìn)展同樣比較緩慢。原因在于，光子縱向軌道角動(dòng)量對(duì)應(yīng)的是光場(chǎng)橫截面(x—y 面)的渦旋相位，因此可以容易地通過(guò)相位元件比如液晶光調(diào)制器直接在光束橫截面上施加渦旋相位獲得。但是，光子橫向軌道角動(dòng)量對(duì)應(yīng)的是在時(shí)空面(x—t 面)上的渦旋相位。如何在光速運(yùn)動(dòng)的波包側(cè)面疊加渦旋相位成為了一個(gè)關(guān)鍵和困難的問(wèn)題。
幸運(yùn)的是，在實(shí)驗(yàn)室里，基于常見(jiàn)的光學(xué)相位元件(比如衍射光柵、柱透鏡和液晶光調(diào)制器)組成的光脈沖整形器，可以在空間頻率—頻率面施加渦旋相位。如圖2 所示，光源是一個(gè)發(fā)出皮秒啁啾脈沖的光纖鎖模激光器。激光器發(fā)出的光脈沖經(jīng)過(guò)衍射光柵、柱透鏡后到達(dá)一個(gè)二維液晶光調(diào)制器的表面。這個(gè)表面就是光場(chǎng)的空間頻率—頻率面。二維液晶光調(diào)制器可以在該面上對(duì)光場(chǎng)施加一個(gè)渦旋相位。在空間頻率—頻率面疊加了渦旋相位的光場(chǎng)再次經(jīng)過(guò)柱透鏡和衍射光柵并傳播一段距離，以完成二維的時(shí)空傅里葉變換。由于角動(dòng)量是物理守恒量，所以空間頻率—頻率面的渦旋相位經(jīng)過(guò)二維時(shí)空傅里葉變換后在時(shí)空面內(nèi)仍然保留，而且拓?fù)浜刹蛔?。拓?fù)浜芍傅氖菧u旋相位旋轉(zhuǎn)一周的累計(jì)相位與2π 的比值。
圖2 完全采用線性光學(xué)手段的時(shí)空渦旋光場(chǎng)生成與表征實(shí)驗(yàn)裝置示意圖[2]
生成的時(shí)空光渦旋波包是皮秒量級(jí)的啁啾脈沖。為了精確的測(cè)量和表征，從光源處分出一束參考光束，并通過(guò)一組光柵對(duì)壓縮成飛秒脈沖，這個(gè)飛秒脈沖大約是90 fs，在時(shí)間尺度上遠(yuǎn)小于待測(cè)的皮秒啁啾脈沖，所以飛秒脈沖與皮秒啁啾脈沖進(jìn)行干涉時(shí)，實(shí)際上是與皮秒啁啾脈沖在時(shí)間上的一個(gè)切片進(jìn)行干涉。通過(guò)CCD相機(jī)測(cè)量并記錄干涉條紋，就可以得到皮秒啁啾脈沖這個(gè)時(shí)間切片的光場(chǎng)信息。與光柵對(duì)相配合的一個(gè)反射鏡安裝在一個(gè)電控調(diào)節(jié)的納米臺(tái)上，基于這個(gè)納米臺(tái)的精確控制，可以依次讓飛秒?yún)⒖济}沖和皮秒啁啾脈沖的每一個(gè)時(shí)間切片進(jìn)行干涉并獲取相關(guān)的光場(chǎng)信息。通過(guò)這種方法，就可以重建整個(gè)時(shí)空光渦旋波包的三維信息，包括相位分布和光強(qiáng)分布。圖3(a)為重建的時(shí)空面的相位分布圖，可以看到這是一個(gè)中心為相位奇點(diǎn)的渦旋相位分布，與理論預(yù)期相符。通過(guò)干涉條紋信息，還可以計(jì)算時(shí)空波包在三維空間中的光強(qiáng)分布，如圖3(b)所示。圖3(b)是等強(qiáng)度分布的繪制，包含了具有時(shí)空渦旋相位波包的絕大部分能量?？梢钥吹剑诳臻g—時(shí)間面內(nèi)，光波包對(duì)應(yīng)相位奇點(diǎn)位置的光強(qiáng)為零。
圖3 實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的攜帶橫向軌道角動(dòng)量的時(shí)空渦旋光場(chǎng)(a)時(shí)空渦旋相位分布；(b)時(shí)空渦旋強(qiáng)度分布[2]
我們的工作提供了一種簡(jiǎn)單而優(yōu)雅的線性方法來(lái)產(chǎn)生攜帶光子橫向軌道角動(dòng)量的時(shí)空渦旋光場(chǎng)，展示了全新的光場(chǎng)態(tài)，開(kāi)辟了一個(gè)新的光子軌道角動(dòng)量維度。同時(shí)也提供了一種線性的方法來(lái)較為簡(jiǎn)單地測(cè)量這種特殊的時(shí)空渦旋光場(chǎng)。不管是產(chǎn)生方法還是測(cè)量和表征方法，都可以比較容易地在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)，有利于其他研究人員在此基礎(chǔ)上開(kāi)展更加深入的研究。這種特殊的攜帶光子橫向軌道角動(dòng)量的時(shí)空渦旋光場(chǎng)在光子自旋霍爾效應(yīng)、量子糾纏、非線性效應(yīng)和光子自旋—軌道耦合效應(yīng)等方面可能會(huì)展示出獨(dú)特的性質(zhì)，也可望應(yīng)用于高速光通信、多自由度三維光學(xué)微操控和新型光電器件等領(lǐng)域。需要指出的是，這一方法不局限于光學(xué)領(lǐng)域，在聲學(xué)、電子束、X-射線等具有波動(dòng)性質(zhì)的研究領(lǐng)域均可望得到應(yīng)用，拓展了相關(guān)理論和實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用范圍。
參考文獻(xiàn)
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