[논문 리뷰] Ultrafast bursts of tailored spatiotemporal vortex pulses

Xin Liu, Chunhao Liang외 3명|arXiv (Cornell University)|2024. 07. 29.

Fluid Dynamics and Turbulent Flows인용 수 6

한 줄 요약

저자들은 피초 단위 스위치 가능한 가로 방향 전궤도 각운동량으로 초고속 시공간 소용돌이 버스트를 실험적으로 생성하여, 맞춤형 시공간 Laguerre-Gaussian 파동팩과 손향(chirality) 제어를 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 초고속 펄스에서 일시적으로 전환 가능한 가로 방향 OAM(T-OAM)의 필요성 제기.
• 시간 의존 특성이 제어 가능한 시공간 소용돌이 버스트의 실험적 생성을 시연한다.
• 소용돌이 펄스 버스트 내 각 콤 이빨에 대한 시공간 프로파일을 독립적으로 제어하는 것을 보여준다.
• 시간에 따라 반경(r)과 방위각 모드 내용물을 맞춤화하여 높은 순도의 시공간 파동팩을 생성하는 능력을 탐구한다.

제안 방법

• 시간 의존적인 T-OAM을 제어할 수 있는 시공간 광 소용돌이 콤 이빨을 생성한다.
• 소용돌이 이빨의 정의된 공간 배치를 갖춘 피초 규모의 스위치 가능한 T-OAM를 달성한다.
• T-OAM의 손향을 조작하여 방위 방향의 국부 운동량 밀도가 서로 다른 순서를 갖는 버스트를 생성한다.
• 시간에 따라 반경 및 방위양자수를 변화시켜 시공간 Laguerre-Gaussian 파동팩을 맞춤 제작한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 각 콤 이빨마다 독립적으로 제어 가능한 시공간 프로파일로 시공간 소용돌이 버스트를 생성할 수 있는가?
• RQ2 피초 규모의 가로 방향 OAM 전환이 실시간으로 달성되며 제어 가능한가?
• RQ3 T-OAM의 손향을 초고속으로 제어하여 카르만 소용돌이 거리와 유사한 공간적으로 다양한 운동량 밀도를 만들어낼 수 있는가?
• RQ4 시간에 따라 반지름 양자수와 방위양자수 모두를 변화시킬 수 있는 고순도 시공간 Laguerre-Gaussian 모드를 설계할 수 있는가?

주요 결과

• 피초 스위치 가능한 T-OAM과 정의된 배치를 갖춘 소용돌이 콤 이빨로 구성된 시공간 소용돌이 버스트.
• T-OAM 손향의 초고속 제어는 방위 방향의 국부 운동량 밀도가 계단식인 펄스 버스트를 생성하여 카르만 소용돌이 거리와 유사하게 만든다.
• 시간에 따라 반지름 및 방위양자수를 변화시켜 고순도 시공간 Laguerre-Gaussian 파동팩을 맞춤화하는 능력.