[論文レビュー] Second harmonic generation of spatiotemporal optical vortices and conservation of orbital angular momentum

S. W. Hancock, S. Zahedpour+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 19, 2020

Orbital Angular Momentum in Optics参考文献 25被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、空間時間的光渦 (STOV) の二次高調波生成を実験的に示し、個々の光子がその伝搬方向に直交する方向に固有の軌道的角運動量 (OAM) を持つことを確認した。周波数倍率におけるSTOVに基づくOAMの保存則が検証され、非線形光学的プロセスを通じて光パルスにおける横方向OAMが直接証明された。

ABSTRACT

Spatiotemporal optical vortices (STOVs) are a new type of intrinsic optical orbital angular momentum (OAM) structure in which the OAM vector is orthogonal to the propagation direction [Optica 6, 1547, (2019)] and the optical phase circulates in space-time. Here, we experimentally and theoretically demonstrate, for the first time, the generation of the second harmonic of a STOV-carrying pulse along with the conservation of STOV-based OAM. Our experiments verify that individual photons can have intrinsic orbital angular momentum perpendicular to their propagation direction.

研究の動機と目的

• 空間時間的光渦 (STOV) という新しい形式の光学的OAM構造における二次高調波生成 (SHG) を実験的に示すこと。
• 非線形周波数変換プロセス中に軌道的角運動量 (OAM) が保存されることを検証すること。
• STOVを運ぶパルスに含まれる個々の光子が、その伝搬方向に直交する方向に固有のOAMを持つことを確認すること。
• 非線形光学を用いた横方向OAMの測定に向けた新しい実験的枠組みを確立すること。

提案手法

• 空間的かつ時間的に構造化された位相プロファイルを有するフェムト秒レーザーパルスを用いてSTOVを生成する。
• 非線形結晶を用いてSTOVパルスの二次高調波生成 (SHG) を誘発する。
• 空間光変調素子を備えたマハソン・ツェンダ干渉計を用いて、基本波および二次高調波ビームのOAM状態を測定する。
• フーリエ解析および位相再構成技術を用いて、生成されたビームの軌道的角運動量状態を再構成する。
• 基本波と二次高調波パルスにおける測定されたOAM含量を比較し、保存則の検証を行う。
• 偏光に基づく検出方式を用いてOAM状態を区別し、OAMベクトルの横方向性を確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 空間時間的光渦 (STOV) において、その軌道的角運動量 (OAM) 構造を保存したまま二次高調波生成が達成可能か？
• RQ2 光子のエネルギーおよび波長が変化する周波数倍率過程において、STOVの軌道的角運動量は保存されるか？
• RQ3 STOVパルスに含まれる個々の光子は、その伝搬方向に直交する方向に固有のOAMを持つのか？
• RQ4 STOVから生成された二次高調波ビームのOAM状態を信頼性高く測定するための実験的手法は何か？
• RQ5 STOVの横方向OAMベクトルは、非線形光学的プロセスにおいてどのように現れるか？

主な発見

• STOVパルスの二次高調波が成功裏に生成され、横方向OAM構造における非線形周波数変換の可能性が裏付けられた。
• 二次高調波ビームの測定された軌道的角運動量が基本波パルスと一致したため、SHG過程におけるOAM保存則が実証された。
• STOVのOAMベクトルが伝搬方向に対して直交していることが確認され、その横方向性が裏付けられた。
• 実験により、STOVに含まれる個々の光子がその運動方向に直交する方向に固有の軌道的角運動量を持つことが直接証明された。
• 基本波および二次高調波ビームにおける観測されたOAM状態は、空間時間内での位相循環に基づく理論的予測と整合的であった。
• 本研究の結果は、従来の縦方向OAMを超えた光におけるOAMの研究に新たなプラットフォームを提供し、量子光学および情報科学分野への道を開いた。