[논문 리뷰] Second harmonic generation of spatiotemporal optical vortices and conservation of orbital angular momentum

S. W. Hancock, S. Zahedpour외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 19.

Orbital Angular Momentum in Optics참고 문헌 25인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 시공간 광학 소용류(Spatiotemporal Optical Vortices, STOVs)의 제2차 고조파 생성을 실험적으로 입증하여, 개별 광자는 그 이동 방향에 수직인 방향으로 고유의 궤도 운동량(OAM)을 지닌다는 것을 확인한다. 연구는 주파수 제곱화 과정 중 STOV 기반 OAM의 보존을 검증하여, 비선형 광학 과정을 통해 빛 펄스에서 횡방향 OAM을 직접적으로 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 시공간 광학 소용류(STOVs)라는 새로운 형태의 광학 OAM 구조에서 제2차 고조파 생성(SHG)을 실험적으로 입증하는 것.
• 비선형 주파수 변환 과정 중 궤도 운동량(OAM)의 보존을 검증하는 것.
• STOV를 지닌 펄스에 포함된 개별 광자가 그 이동 방향에 수직인 고유의 OAM을 지닌다는 것을 확인하는 것.
• 비선형 광학을 이용한 횡방향 OAM 탐색을 위한 새로운 실험적 프레임워크를 구축하는 것.

제안 방법

• 공간적 및 시간적으로 구조화된 위상 프로파일을 지닌 피코초 레이저 펄스를 이용해 STOV를 지닌 펄스를 생성하는 것.
• 비선형 결정을 사용하여 STOV 펄스의 제2차 고조파 생성(SHG)을 유도하는 것.
• 공간 광학 조절기와 함께 맥스웰-지엔더 간섭계를 활용하여 기본파 및 제2차 고조파 빛의 OAM 상태를 측정하는 것.
• 궤도 운동량 상태를 재구성하기 위해 푸리에 분석 및 위상 복원 기법을 적용하는 것.
• 기본파 및 제2차 고조파 펄스의 측정된 OAM 함량을 비교하여 보존 여부를 검증하는 것.
• OAM 상태를 구분하고 OAM 벡터의 횡방향 성격을 확인하기 위해 편광 기반 검출 기법을 사용하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 제2차 고조파 생성은 시공간 광학 소용류(STOVs)에서 그 궤도 운동량(OAM) 구조를 유지하면서 달성될 수 있는가?
• RQ2 광자의 에너지와 파장이 변화하는 주파수 제곱화 과정 중 STOV의 궤도 운동량이 보존되는가?
• RQ3 STOV 펄스에 포함된 개별 광자가 그 이동 방향에 수직인 고유의 OAM을 지닌다?
• RQ4 STOV에서 유도된 제2차 고조파 빛의 OAM 상태를 신뢰성 있게 측정할 수 있는 실험 기법은 무엇인가?
• RQ5 STOV의 횡방향 OAM 벡터는 비선형 광학 과정에서 어떻게 나타나는가?

주요 결과

• STOV 펄스의 제2차 고조파가 성공적으로 생성되어 횡방향 OAM 구조에서의 비선형 주파수 변환이 가능하다는 것을 확인하였다.
• 제2차 고조파 빛의 측정된 궤도 운동량이 기본 펄스와 일치하여 SHG 과정 중 OAM 보존이 입증되었다.
• STOV의 OAM 벡터가 이동 방향에 수직임을 확인하여 그 횡방향 성격이 검증되었다.
• 실험적으로 개별 광자가 STOV에서 그 이동 방향에 수직인 고유의 궤도 운동량을 지닌다는 직접적인 증거를 제공하였다.
• 기본파 및 제2차 고조파 빛에서 관측된 OAM 상태는 공간-시간 내에서 위상 순환에 기반한 이론적 예측과 일치하였다.
• 결과적으로 전통적인 縦방향 OAM을 초월한 빛에서 OAM을 연구할 수 있는 새로운 플랫폼을 구축하였으며, 양자 광학 및 정보 과학 분야의 새로운 길을 열었다.