[論文レビュー] Ultrafast bursts of tailored spatiotemporal vortex pulses

Xin Liu, Chunhao Liang+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2024

Fluid Dynamics and Turbulent Flows被引用数 6

ひとこと要約

著者らは実験的にピコ秒で切替可能な横方向OAMを備えた超高速時空渦発生を生成し、個別に調整可能な時空間的Laguerre-Gaussianウェーブパケットと手性制御を可能にする。

ABSTRACT

Orbital angular momentums (OAMs) of light can be categorized into longitudinal OAM (L-OAM) and transverse OAM (T-OAM). Light carrying time-varying L-OAM, known as self-torqued light, was recently discovered during harmonic generation and has been extensively developed within the context of optical frequency combs (OFCs). Meanwhile, ultrafast bursts of optical pulses, analogous to OFCs, are sought for various light-matter interaction, spectroscopic and nonlinear applications. However, achieving transiently switchable T-OAM of light on request, namely spatiotemporal vortex pulse bursts, with independently controlled spatiotemporal profile of each comb tooth, remain unrealized thus far. In this work, the experimental generation of spatiotemporal vortex bursts featured with controllable time-dependent characteristics is reported. The resultant bursts comprised of spatiotemporal optical vortex comb teeth have picosecond timescale switchable T-OAMs with defined arrangement, manifesting as spatiotemporal torquing of light. We also show ultrafast control of T-OAM chirality, yielding pulse bursts with staggered azimuthal local momentum density, resembling Kármán vortex streets. This approach enables the tailoring of more intricate spatiotemporal wavepacket bursts, such as high-purity modes variation in both radial and azimuthal quantum numbers of spatiotemporal Laguerre-Gaussian wavepackets over time, which may facilitate a host of novel applications in ultrafast light-mater interactions, high-dimensional quantum entanglements, space-time photonic topologies as well as spatiotemporal metrology and photography.

研究の動機と目的

• 超高速パルスにおける瞬時切替可能な横方向OAM（T-OAM）の必要性を動機づける。
• 時間依存特性を制御可能な時空渦パルスの実験的生成を実証する。
• 渦パルス爆発内の各歯（comb tooth）ごとに時空プロファイルを独立して制御できることを示す。
• 高純度の時空波パケットの半径方向・方位量子数の時間変化によるモード成分の調整能力を探る。

提案手法

• 時間依存のT-OAMを制御可能にした時空渦コム歯を生成する。
• 渦歯の定義された空間配置とともにピコ秒スケールの切替可能なT-OAMを達成する。
• T-OAMのキラリティを操作して、回転方向局所運動量密度がずれたパルスを生成する。
• 時間とともに半径方向および方位量子数を変化させて、時空Laguerre-Gaussianウェーブパケットを調整する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 各歯ごとに独立して制御可能な時空プロファイルを持つ時空渦発生は生成できるか。
• RQ2 横方向OAMのピコ秒スケール切替が実時間で実現・制御可能か。
• RQ3 T-OAMのキラリティを超高速に制御して、カーマン渦街に類する空間的に変化する運動量密度を作り出せるか。
• RQ4 高純度の時空Laguerre-Gaussianモードを、時間とともに半径方向および方位量子数の両方を変化させて設計できるか。

主な発見

• ピコ秒スケール切替可能なT-OAMと定義された配置を持つ渦歯からなる時空渦burst。
• T-OAMのキラリティを超高速制御することにより、方位局所運動量密度がずれたパルスブ bursts、カーマン渦街のように。
• 時間とともに半径および方位量子数を変化させて高純度な時空Laguerre-Gaussianウェーブパケットを調整できる。