[論文レビュー] Generation of spatiotemporal optical vortices with partial temporal coherence

Amal Mirando, Yimin Zang+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 23, 2021

Orbital Angular Momentum in Optics参考文献 27被引用数 31

ひとこと要約

本論文は、高価なモードロックレーザーの代わりに、増幅自発放射（ASE）やノイズ様パルスなどの部分的コherentlyな光源を用いて、横方向の角運動量（OAM）を有する時空間的光渦（STOVs）を生成することを示している。空間光変調器（SLM）を用いて帯域幅が広く時間的に非コherentなパルスにスパイラル位相を適用することで、著者らは干渉に基づく位相遷移測定により、位相特異性を有する l = ±1 および l = +2 のSTOVsを実験的に検証した。これにより、部分的時間的コherencyが安定的かつ低コストなSTOV生成を可能にすることが実証された。

ABSTRACT

Recently, a spatiotemporal optical vortex (STOV) with a transverse orbital angular momentum (OAM) has been generated from coherent ultrafast pulses using mode-locked lasers. In contrast, we demonstrate theoretically and experimentally that a STOV can be generated from a light source with partial temporal coherence with fluctuating temporal phase. By eliminating the need of mode-locked laser sources, the partially coherent STOV will serve as a convenient and cost-effective transverse OAM source.

研究の動機と目的

• モードロックレーザーの代替として、横方向の角運動量（OAM）を有する時空間的光渦（STOVs）を低コストで生成する手法の開発。
• 安定した位相関係を欠く、ASE やノイズ様パルス（NLPs）などの部分的コherentlyな時間的光源からSTOVsが生成可能かどうかを調査すること。
• 時間遅延付き参照ビームを用いた干渉ベース検出法により、部分的コherentlyなSTOVsにおける位相特異性および位相位相荷重の実験的検証。
• 時間的非コherency（σ²）の増大がSTOVsの形成および形状に与える影響の特定。
• 位相位相荷重 l = 2 のSTOVsが、内在的な位相ランダムネスにより、無駄に伝搬を経ることなく複数の基本的渦に自発的に分裂するかの検証。

提案手法

• 時間的非コherencyの度合いを制御するパrameter σ²を有するガウススペクトルに、ランダムに分布するスペクトル位相を導入することで、部分的コherentlyなパルスをモデル化。
• 2次元空間光変調器（SLM）を用いて、空間周波数領域でスパイラル位相 𝑒𝑖𝑙𝜙 を適用することで、帯域幅が広く部分的コherentlyな光源からSTOVsを生成。
• ランダムなスペクトル位相を用いたパルス包絡線の2次元フーリエ変換により、STOVsを数値的にシミュレート。式 𝐴(𝑡) = 𝐹𝑇{𝑒−𝜔²/𝑟² 𝑒^{𝑗𝜙𝑟𝑎𝑛𝑑(𝜔)}} を用い、𝜙𝑟𝑎𝑛𝑑(𝜔) ~ 𝑁(𝜇, 𝜎²) とする。
• 時間遅延付きの参照ビームと干渉させることで、干渉積分（式 (3)）に従い、位相特異性を測定。
• 時間平均されたポインティングベクトル <𝑺> ∝ 𝑖(𝑢∇𝑢∗ − 𝑢∗∇𝑢)/2 + 𝑘|𝑢|²𝒛 を用いて、時空間的領域における渦構造および特異性を可視化。
• Yb-dopedファイバレーザーをしきい値未満で動作させたASEと、ノイズ様パルス（NLP）状態の両方を用いて、実験的にSTOVsを生成。両者ともに高い空間的および部分的時間的コherencyを示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 部分的コherentlyな光源（ASE やノイズ様パルスなど）を用いて、時空間的光渦（STOVs）をモードロックレーザーの代わりに生成可能か？
• RQ2 ランダムな時間的位相揺らぎが、位相位相荷重 l > 1 のSTOVsの安定性および構造に与える影響は？
• RQ3 時間遅延付き参照ビームを用いた干渉ベース検出法により、部分的コherentlyなSTOVsにおける位相特異性を実験的に検証可能か？
• RQ4 時間的非コherency（σ²）の増大が、STOVsの形成および形状に与える影響は？
• RQ5 位相位相荷重 l = 2 のSTOVsは、内在的な位相ランダムネスにより、無駄に伝搬を経ることなく複数の基本的渦に分解可能か？

主な発見

• 位相位相荷重 l = 1 の部分的コherentlyなSTOVsは、ASEおよびNLP光源を用いて成功裏に生成され、干渉パターンに明確な位相遷移が観察された。
• l = 1 の場合、干渉縞に一重の π 位相遷移が観察され、単一の位相特異性の存在が確認された。8 nm帯域幅に基づくコherent時間は約450 fsであった。
• l = 2 の場合、干渉パターンに二つの明確な π 位相遷移が観察され、高次渦がランダムな位相揺らぎにより二つの基本的渦に分裂していることが確認された。
• 数値的シミュレーションでは、σ² を 0.2π² から π² に増大させると、リング形状のSTOVプロファイルが著しく歪み、時間領域に複数の振幅ピークおよび特異性が生じた。
• l = +1 および l = +2 の実験的位相遷移パターンは理論的予測と一致しており、時間遅延はそれぞれ -68 fs、0 fs、32 fs（l = +1）、および -216 fs から 180 fs の範囲にまたがる複数の遅延（l = +2）を示し、渦の位相が正しく確認された。
• 本手法により、LED やファイバレーザーのASEのような広帯域光源を用いた低コストなSTOV生成が可能となり、高価なモードロックレーザーの使用が不要になった。