[논문 리뷰] Generation of spatiotemporal optical vortices with partial temporal coherence

Amal Mirando, Yimin Zang외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 23.

Orbital Angular Momentum in Optics참고 문헌 27인용 수 31

한 줄 요약

이 논문은 모드-락킹 레이저 대신에 증폭된 자발적 방출(ASE) 또는 노이즈-유사 펄스와 같은 부분적으로 간섭성 있는 광원을 사용하여 횡방향 궤도 운동량을 가진 시공간 광학 소용권(STOVs)을 생성하는 것을 보여준다. 공간 광학 조절 장치를 통해 광역, 시간적으로 간섭성 없는 펄스에 나선형 위상(spiral phase)을 적용함으로써, 저자들은 간섭 기반 위상 전이 측정을 통해 위상 특이점과 위상 전이 수준 l = ±1 및 l = +2를 가진 STOVs를 실험적으로 검증하였으며, 부분적인 시간 간섭성은 안정적이고 저비용의 STOV 생성을 가능하게 한다고 증명한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 모드-락킹 레이저의 고비용 대체재로서 횡방향 궤도 운동량을 가진 시공간 광학 소용권(STOVs)을 생성하기 위한 저비용 방법 개발.
• 안정적인 위상 관계가 없는, ASE 또는 노이즈-유사 펄스(NLPs)와 같은 부분적으로 간섭성 있는 시간 소스로부터 STOVs가 생성될 수 있는지 조사.
• 시간 지연된 기준 광선을 사용한 간섭 기반 검출을 통해 부분적으로 간섭성 있는 STOVs의 위상 특이점과 위상 전이 수준을 실험적으로 검증.
• 시간 간섭성 증가(σ²)가 STOVs의 형성과 형태에 미치는 영향 분석.

제안 방법

• 시간 간섭성 정도를 제어하는 분산된 스펙트럼 위상(variance σ²)를 가진 가우시안 스펙트럼을 사용하여 부분적으로 간섭성 펄스 모델링.
• 2차원 공간 광학 조절 장치(SLM)를 통해 공간 주파수 도메인에서 나선형 위상 𝑒𝑖𝑙𝜙를 적용하여 광역, 부분적으로 간섭성 있는 소스에서 STOVs 생성.
• 수치적 시뮬레이션을 위해 펄스 에너지의 2차원 푸리에 변환을 사용하며, 식 𝐴(𝑡) = 𝐹𝑇{𝑒−𝜔²/𝑟² 𝑒^{𝑗𝜙𝑟𝑎𝑛𝑑(𝜔)}}, 여기서 𝜙𝑟𝑎𝑛𝑑(𝜔) ~ 𝑁(𝜇, 𝜎²)를 적용.
• 시간 지연된 기준 광선과의 간섭 무늬 측정을 통해 위상 특이점 측정. 식 (3)에 기술된 간섭 적분을 사용.
• 시공간 도메인에서 소용권 구조와 특이점을 시각화하기 위해 시간 평균 Poynting 벡터 <𝑺> ∝ 𝑖(𝑢∇𝑢∗ − 𝑢∗∇𝑢)/2 + 𝑘|𝑢|²𝒛를 사용.
• Yb Dopant 섬유 레이저를 임계 이하에서 작동시켜 얻은 ASE와 노이즈-유사 펄스(NLP) 상태를 사용하여 실험적으로 STOVs 생성. 이들은 높은 공간 및 부분적 시간 간섭성을 나타낸다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 모드-락킹 레이저 대신 부분적으로 간섭성 있는 광원을 사용하여 시공간 광학 소용권(STOVs)을 생성할 수 있는가?
• RQ2 랜덤한 시간 위상 변동이 위상 전이 수준 l > 1을 가진 STOVs의 안정성과 구조에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 시간 지연된 기준 광선을 사용한 간섭 기반 검출을 통해 부분적으로 간섭성 있는 STOVs의 위상 특이점을 실험적으로 검증할 수 있는가?
• RQ4 시간 간섭성 증가(σ²)가 STOVs의 형성과 형태에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 위상 전이 수준 l = 2인 STOVs가 내재된 위상 무작위성으로 인해 고유의 특성으로 인해 다수의 기본 소용권으로 분리될 수 있는가?

주요 결과

• 위상 전이 수준 l = 1을 가진 부분적으로 간섭성 있는 STOVs는 ASE 및 NLP 소스를 사용하여 성공적으로 생성되었으며, 간섭 무늬에서 명확한 위상 전이가 관측되었다.
• l = 1일 경우, 간섭 무늬에서 단일 π 위상 전이가 관측되어 단일 위상 특이점 존재를 확인하였으며, 8 nm 대역폭 기반으로 약 450 fs의 간섭 시간을 확보하였다.
• l = 2일 경우, 간섭 무늬에서 두 개의 명확한 π 위상 전이가 관측되어 고차 소용권이 랜덤한 위상 변동으로 인해 두 개의 기본 소용권으로 분리됨을 확인하였다.
• 수치적 시뮬레이션 결과, σ²를 0.2π²에서 π²로 증가시키면 고리형 STOV 프로파일이 심각하게 왜곡되며, 시간 도메인 전역에 다수의 진폭 피크와 특이점이 나타남을 확인하였다.
• l = +1 및 l = +2에 대한 실험적 위상 전이 무늬는 이론 예측과 일치하였으며, 시간 지연는 각각 -68 fs, 0 fs, 32 fs(l = +1) 및 -216 fs에서 180 fs까지의 다수의 지연( l = +2)를 포함하여 소용권 순서를 확인하였다.
• 이 방법은 고비용의 모드-락킹 레이저가 필요 없이 LED 또는 섬유 레이저 ASE와 같은 광역 소스를 사용하여 저비용 STOVs 생성을 가능하게 한다.