[論文レビュー] Space-time wave packets localized in all dimensions

Мurat Yessenov, Justin Free+5 more|Figshare|Nov 4, 2021

Orbital Angular Momentum in Optics被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、パルスビームの空間的・時間的スペクトルを彫刻するために2次元の conformal 座標変換を適用することにより、3次元（3D）空間的・時間的局在性を持つ空間時間波パケットを生成する手法を提示している。ボリュームチルプド・ブレグ・グレーティング、スペクトル再配置、対数極座標からデカルト座標への変換を組み合わせることで、0.7c から 1.8c の可変群速度を有する、回折を伴わず剛体的に伝搬する波パケットを実証した。50 mm の伝搬距離において、マイクロメートル未満の横方向局在性と数ピコ秒のパルス幅を達成した。

ABSTRACT

Optical wave packets that are localized in space and time, but nevertheless overcome diffraction and travel rigidly in free space, are a long sought-after field structure with applications ranging from microscopy and remote sensing, to nonlinear and quantum optics. However, synthesizing such wave packets requires introducing non-differentiable angular dispersion with high spectral precision in two transverse dimensions, a capability that has eluded optics to date. Here, we describe an experimental strategy capable of sculpting the spatio-temporal spectrum of a generic pulsed beam by introducing arbitrary radial chirp via two-dimensional conformal coordinate transformations of the spectrally resolved field. This procedure yields propagation-invariant `space-time' wave packets localized in all dimensions, with tunable group velocity in the range from $0.7c$ to $1.8c$ in free space, and endowed with prescribed orbital angular momentum. By providing unprecedented flexibility in sculpting the three-dimensional structure of pulsed optical fields, our experimental strategy promises to be a versatile platform for the emerging enterprise of space-time optics.

研究の動機と目的

• 自由空間内で空間的・時間的すべての次元にわたって局在化され、かつ剛体的に伝搬する光の波パケットを実現するという、長年の課題を克服すること。
• 既存の手法が1次元の横方向にしか角分散を導入できないという根本的制限に対処し、完全な3次元局在化を可能にすること。
• スケーラブルな実験的プラットフォームを用いて、2次元の横方向における非微分可能な角分散を実現し、伝搬不変性を有する3次元空間時間波パケットを実現すること。
• 自由空間内において、0.7c から 1.8c の範囲で群速度を可変可能にし、空間的・時間的局在性を維持したまま、両方の速度領域（亜光速および超光速）をカバーすること。
• 非線形光学、量子光学、遠隔センシング光学への応用を想定し、一般のパルス光場の3次元的空間時間構造を自在に整形できる柔軟で普遍的なプラットフォームを提供すること。

提案手法

• パルスビームを、二重パス方式のボリュームチルプド・ブレッグ・グレーティングを用いて1次元の横方向に空間分解し、波長を異なる空間的位置に分離する。
• スペクトル再配置ステージを用いて、波長を所望の順序に再編成し、ビーム全体における角分散プロファイルを調整する。
• 2次元の conformal 座標変換（具体的には対数極座標からデカルト座標へのマッピング）を適用し、線形スペクトル分布を円形パターンに変換することで、2次元の横方向における角分散を実現する。
• 変換されたスペクトル波面をレンズを用いてコリメートおよび集光し、空間的・時間的両方で強度が局在化した3次元空間時間波パケットを形成する。
• 変換は、屈折型位相プレート（PMMA、ダイヤモンド切削加工）または回折型位相プレート（融石ガラス、電子線リソグラフィー）を用いて実装され、両者とも高いスペクトル精度と効率を達成するように設計されている。
• 材料の分散を補償し、近軸近似を維持するために、2つの位相素子間の距離を調整することで、システムを特定の波長にチューニングする。

Figure 1: Visualization of the spectral support domain for 3D ST wave packets on the surface of the free-space light-cone. a The spectral support domain for a superluminal 3D ST wave packet at the intersection of the light-cone $k_{r}^{2}+k_{z}^{2}\!=\!(\tfrac{\omega}{c})^{2}$ with a spectral plane

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 線形光学を用いて、自由空間内に3次元空間的・時間的局在性を持つ空間時間波パケットを実験的に実現できるか？
• RQ2 2次元の横方向における非微分可能な角分散を実現することは可能か？ これにより伝搬不変性を有する波パケットが実現可能となる。
• RQ3 自由空間内で、0.7c から 1.8c の範囲で群速度を可変可能にし、3次元局在性を維持できるか？
• RQ4 一般のパルスビームの3次元的空間時間スペクトルを、高いスペクトル的および空間的精度で整形できる普遍的なプラットフォームを開発できるか？
• RQ5 自由空間伝搬下において、このような3次元空間時間波パケットの横方向および時間的局在性の限界は何か？

主な発見

• 著者らは、横幅約30 µm、パルス幅約6 psの3次元空間時間波パケットを成功裏に生成した。
• これらの波パケットは50 mmを超える距離を、顕著な回折や広がりを示さずに伝搬し、伝搬不変性を確認した。
• 群速度は実験的に0.7c から 1.8c にまで可変可能であり、自由空間内で亜光速および超光速の両領域をカバーした。
• 高いスペクトル精度と空間的制御が達成され、所望の角運動量や複雑な空間時間的テクスチャを有する波パケットの生成が可能になった。
• 屈折型および回折型位相プレートの両方を用いた場合、透過効率はそれぞれ約85%および約92%を達成し、実用的実現可能性を示した。
• conformal 座標変換により、1次元のスペクトル変調を2次元の角分散に変換でき、3次元空間時間光物理学における主要な障害要因を解決した。

Figure 2: Synthesis strategy for 3D ST wave packets. a Starting with a generic plane-wave pulse, we aim at constructing an angular-dispersion synthesizer in two dimensions that arranges the wavelengths in circles in a prescribed order. $S_{1}$ corresponds to a subluminal wave packet, whereas $S_{2}$