[论文解读] Generation of spatiotemporal optical vortices with partial temporal coherence

Amal Mirando, Yimin Zang+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 23, 2021

Orbital Angular Momentum in Optics参考文献 27被引用 31

一句话总结

本文展示了利用部分相干光源（如放大的自发辐射（ASE）或噪声脉冲）而非昂贵的锁模激光器，生成具有横向轨道角动量的时空光学涡旋（STOVs）。通过使用空间光调制器对宽带、时间上非相干的脉冲施加螺旋相位，作者通过基于干涉的相位跃迁测量，实验验证了拓扑荷为 l = ±1 和 l = +2 的 STOVs，证明了部分时间相干性可实现稳定、低成本的 STOVs 生成。

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.

研究动机与目标

• 开发一种替代锁模激光器的低成本方法，用于生成具有横向轨道角动量（OAM）的时空光学涡旋（STOVs）。
• 研究是否可从缺乏稳定相位关系的部分相干时间源（如 ASE 或噪声脉冲（NLPs））生成 STOVs。
• 通过使用时间延迟参考光束的干涉检测方法，实验验证部分相干 STOVs 中相位奇点和拓扑荷的存在。
• 证明高阶 STOVs（l > 1）即使在无传播条件下，也会因随机相位涨落而自发分裂为多个基本涡旋。

提出的方法

• 使用具有随机分布光谱相位的高斯谱建模部分相干脉冲，其中方差 σ² 控制时间非相干程度。
• 通过二维空间光调制器（SLM）在空间频率域施加螺旋相位 𝑒^{𝑖𝑙𝜙}，从宽带、部分相干源生成 STOVs。
• 使用二维傅里叶变换对脉动包络进行数值模拟 STOVs，公式为 𝐴(𝑡) = 𝐹𝑇{𝑒^{−𝜔²/𝑟²} 𝑒^{𝑗𝜙_{𝑟𝑎𝑛𝑑}(𝜔)} }，其中 𝜙_{𝑟𝑎𝑛𝑑}(𝜔) ~ 𝑁(𝜇, 𝜎²)。
• 通过时间延迟参考光束与目标 STOV 的干涉条纹，利用 CCD 探测测量相位奇点，如公式 (3) 所述的干涉积分。
• 使用时间平均的坡印廷矢量 <𝑺> ∝ 𝑖(𝑢∇𝑢^∗ − 𝑢^∗∇𝑢)/2 + 𝑘|𝑢|²𝒛，可视化时空域中的涡旋结构与奇点。
• 实验上利用低于阈值运转的 Yb 掺杂光纤激光器产生的 ASE 和噪声脉冲（NLP）态生成 STOVs，两者均表现出高空间相干性与部分时间相干性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否使用部分相干光源而非锁模激光器生成时空光学涡旋（STOVs）？
• RQ2 随机时间相位涨落对拓扑荷 l > 1 的 STOVs 的稳定性和结构有何影响？
• RQ3 能否通过使用时间延迟参考光束的干涉检测方法，实验验证部分相干 STOVs 中的相位奇点？
• RQ4 增加时间非相干性（σ²）对 STOVs 的形成与形态有何影响？
• RQ5 由于内在相位随机性，拓扑荷 l = 2 的 STOVs 是否可被生成并分解为多个基本涡旋？

主要发现

• 成功利用 ASE 和 NLP 源生成了拓扑荷 l = 1 的部分相干 STOVs，并通过实验验证，干涉图案中观察到清晰的相位跃迁。
• 对于 l = 1，干涉条纹中观察到单一 π 相位跃迁，证实存在单个相位奇点，相干时间约为 450 fs（基于 8 nm 带宽）。
• 对于 l = 2，干涉图案中观察到两个明显的 π 相位跃迁，证实高阶涡旋因随机相位涨落而分裂为两个基本涡旋。
• 数值模拟显示，当 σ² 从 0.2π² 增加到 π² 时，环形 STOV 形貌严重畸变，导致时间域内出现多个振幅峰和奇点。
• l = +1 和 l = +2 的实验相位跃迁图案与理论预测一致，时间延迟分别为 -68 fs、0 fs 和 32 fs（l = +1），以及 -216 fs 至 180 fs 的多个延迟（l = +2），证实了涡旋阶数。
• 该方法可利用 LED 或光纤激光 ASE 等宽带光源实现低成本 STOVs 生成，无需昂贵的锁模激光器。