[论文解读] Second harmonic generation of spatiotemporal optical vortices and conservation of orbital angular momentum

S. W. Hancock, S. Zahedpour+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 19, 2020

Orbital Angular Momentum in Optics参考文献 25被引用 6

一句话总结

该论文通过实验展示了时空光学涡旋（STOVs）的二次谐波生成，证实了单个光子在其传播方向垂直方向上具有固有的轨道角动量（OAM）。该研究验证了在频率倍频过程中基于STOV的OAM守恒，为通过非线性光学过程直接证明光脉冲中的横向OAM提供了证据。

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.

研究动机与目标

• 通过实验演示一种新型光学OAM结构——时空光学涡旋（STOVs）的二次谐波生成（SHG）。
• 验证在非线性频率转换过程中轨道角动量（OAM）的守恒性。
• 确认携带STOV的光脉冲中单个光子在其传播方向垂直方向上具有固有的OAM。
• 建立一种新的实验框架，利用非线性光学探测光中的横向OAM。

提出的方法

• 利用具有空间和时间调制相位分布的装置产生携带STOV的飞秒激光脉冲。
• 使用非线性晶体诱导STOV脉冲的二次谐波生成（SHG）。
• 采用带有空间光调制器的马赫-曾德尔干涉仪测量基频和二次谐波光束的OAM态。
• 应用傅里叶分析和相位恢复技术，重建所生成光束的轨道角动量态。
• 比较基频脉冲与二次谐波脉冲中测得的OAM含量，以验证守恒性。
• 采用基于偏振的探测方案区分OAM态，并确认OAM矢量的横向特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在保持其轨道角动量（OAM）结构的前提下，能否在时空光学涡旋（STOVs）中实现二次谐波生成？
• RQ2 尽管光子能量和波长发生变化，STOVs的轨道角动量在频率倍频过程中是否仍保持守恒？
• RQ3 STOV脉冲中的单个光子是否在其传播方向垂直方向上携带固有的OAM？
• RQ4 哪些实验技术能够可靠地测量由STOV生成的二次谐波光束的OAM态？
• RQ5 STOVs的横向OAM矢量在非线性光学过程中如何表现？

主要发现

• 成功生成了STOV脉冲的二次谐波，证实了在横向OAM结构中实现非线性频率转换的可行性。
• 测得的二次谐波光束的轨道角动量与基频脉冲一致，证明了在SHG过程中OAM的守恒性。
• STOV的OAM矢量被证实垂直于传播方向，验证了其横向特性。
• 该实验提供了直接证据，表明STOV中单个光子在其运动方向垂直方向上携带固有的轨道角动量。
• 基频和二次谐波光束中观测到的OAM态与基于时空相位循环的理论预测一致。
• 研究结果建立了一个新平台，用于研究超越传统纵向OAM的光中OAM，为量子光学和信息科学开辟了新途径。