[论文解读] Experimental demonstration of cylindrical vector spatiotemporal optical vortex

Jian Chen, Chenhao Wan+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 23, 2021

Orbital Angular Momentum in Optics被引用 5

一句话总结

该论文通过生成同时表现出空间偏振奇异性和时空涡旋结构的波包，首次实验展示了具有横向轨道角动量和圆柱形偏振态的柱状矢量时空光涡旋——光波。关键成果是首次直接观测到此类共存的光学奇异点，为自旋-轨道耦合及光-物质相互作用开辟了新途径。

ABSTRACT

We experimentally generate cylindrically polarized wavepackets with transverse orbital angular momentum, demonstrating the coexistence of spatiotemporal optical vortex with spatial polarization singularity. The results in this paper extend the study of spatiotemporal wavepackets to a broader scope, paving the way for its applications in various areas such as light-matter interaction, optical tweezers, spatiotemporal spin-orbit angular momentum coupling, etc.

研究动机与目标

• 将时空光波包的研究从传统空间模式扩展至包含矢量偏振和轨道角动量的范畴。
• 实验实现并表征了一类结合空间、时间与偏振奇异性的新型光涡旋。
• 展示单个波包中横向轨道角动量与圆柱形偏振的共存。
• 探索结构光中时空自旋-轨道角动量耦合的含义。
• 为光学镊子、量子光学及光-物质相互作用应用奠定基础。

提出的方法

• 作者利用空间光调制器和计算全息图生成定制的飞秒激光脉冲，以调控波前和偏振态。
• 结合q-板与波前调控技术，同时在脉冲上施加轨道角动量和圆柱形偏振。
• 通过时间整形和光谱相位调制控制时空结构，实现空间和时间上局域且旋转的能量流。
• 利用马赫-曾德尔干涉仪和偏振分辨成像系统表征结果光学涡旋，以测量强度和偏振态。
• 通过观察横向平面上的相位奇异点以及时空域中的螺旋波前，确认了时空涡旋的存在。
• 基于标量波动方程和矢量光束分解的理论建模支持了实验观测结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 单个光学波包能否同时携带横向轨道角动量并表现出圆柱形偏振？
• RQ2 能否生成在空间和时间维度上均保持稳定涡旋结构的时空光涡旋？
• RQ3 在矢量性、时空光涡旋中，自旋与轨道角动量自由度如何耦合？
• RQ4 需要何种实验技术才能完全表征此类复杂波包中的偏振与相位奇异点？
• RQ5 这种共存对光-物质相互作用及光学操控具有何种影响？

主要发现

• 实验成功生成了具有明确横向轨道角动量（ℓ = ±1）的柱状矢量时空光涡旋。
• 波包在横向强度分布中表现出清晰的相位奇异点，证实了涡旋核心的存在。
• 偏振测量显示，存在稳定的圆柱形偏振态，其径向或方位角对称性取决于输入配置。
• 时空结构在空间和时间上均呈现螺旋波前，表明该动态涡旋随脉冲持续时间演化。
• 通过干涉测量和偏振成像技术，实验验证了空间偏振奇异点与时空涡旋的共存。
• 结果验证了结构光中自旋-轨道耦合的理论预测，将其拓展至完整的时空域。