01
导读
近日，来自英国南安普顿大学（University of Southampton）的申艺杰（清华大学精仪系博士）和南非金山大学（University of the Witwatersrand）的 AndrewForbes 等研究人员产生了一种新型矢量涡旋光束，突破了传统自旋-轨道双自由度纠缠态限制，而具多重自由度操控，首次实现可模拟多粒子纠缠态的经典模式，这种“超自由度”光束可以直接产生于一个紧凑型微片激光器，为新型结构光束的广泛应用拓展创造了无限可能。该成果以“Structured ray-wave vector vortex beams in multiple degrees offreedom from a laser”为题，近期发表于美国光学学会（OSA）旗舰期刊Optica，并入选了2020年第7期封面文章。

图片来源：optica

02
背景介绍
矢量涡旋光具有随空间变化的偏振矢量，以其独特的自旋（SAM）-轨道角动量（OAM）耦合性质催生了广泛的应用，SAM对应了光子偏振态，OAM对应了空间涡旋相位，SAM-OAM双自由度所构成的不可分离叠加态也恰恰对应了双比特量子纠缠态，对光与物质相互作用和经典量子耦合系统等基础物理效应的研究具有重要价值，也在各个领域拓展了先进的应用，如大容量光通信，精密度量学，光探测与传感，光镊与粒子操控等，因而成为近年的研究热点。但是，超越SAM-OAM双自由度描述限制的矢量光束在此之前还从未出现。试想如果我们可以突破这一限制，构造出更多自由度可操控的新型矢量光束，即可模拟更丰富的多粒子纠缠态，开启更多经典量子耦合性质的研究，衍生出数不胜数的结构光应用新技术。
另外，矢量涡旋光的产生一般都需要复杂的光学系统和昂贵的调制器件，这成了阻碍其进一步应用的一大瓶颈。为寻求更紧凑的结构光产生系统，对结构光激光器的研究近年来吸引了越来越多的研究兴趣。结构光激光器要求多种复杂的结构光可以直接产生于一个简单光学谐振腔，从而使得各种矢量涡旋结构光束的产生系统更加小型化、紧凑化、高效化。试想如果我们只需要一个简单激光腔就可以直接产生和控制结构光的多个自由度，就可以极大简化矢量涡旋光产生系统，推进实用化进程，方便新技术的拓展。
近日，来自英国南安普顿大学（University of Southampton）的申艺杰（清华大学精仪系博士生）和南非金山大学（University of the Witwatersrand）的 Andrew Forbes 等研究人员在美国光学协会（OSA）的顶级期刊 Optica 发表文章，一举突破了这两个学术难题：1. 超越自由度限制，2. 紧凑的结构光产生系统；并入选期刊封面文章。本文创造性地提出并产生了一种全新的矢量涡旋光，它具有多重自由度，除了包括传统的OAM模式和偏振自由度（即SAM），还拓展了新的自由度：轨迹简并度、轨迹相位、轨迹组合数等。这种新型结构光束可以通过一个紧凑型微片激光器直接产生，为多自由度光束的广泛应用拓展创造了无限可能。

03
创新研究
传统矢量涡旋光束具有圆柱对称性结构，是SAM偏振和OAM模式的纠缠叠加态，而表现为空间角向变化的偏振分布形态，其表征不会逃出这SAM-OAM双自由度纠缠态限制。而本文提出的一种全新的矢量涡旋光，具有更丰富的二维旋转对称性结构，是传统圆柱对称结构的广义拓展，同时具备多重可操控自由度，除了包括传统的OAM模式和偏振，还拓展了新的自由度如轨迹简并度，轨迹相位，轨迹组合数等，首次实现矢量涡旋光的超自由度特性，实现了对应多自由度多粒子纠缠态的经典模式。
新结构光束的产生方法是利用量子相干态中概率波包与粒子经典运动轨迹相互耦合的原理，即SU(2)相干态，在经典结构光中构造与这种相干态类似的结构，从而使得结构光产生波迹二象性，即这种几何结构光同时具有空间相干波包和几何光线轨道的描述，而这种轨迹性恰恰可以在开放式激光腔中表征，即不同横纵模频率耦合的谐振腔结构对应不同周期振荡的光迹轨道（如图1）。这项工作创新性地发现：通过精确地控制腔内对增益晶体的泵浦点，同一振荡周期的两种不同取向的光迹轨道，可以存在重合的一对拐点，它们分享一个离轴泵浦光斑的增益，从而可以在谐振腔中同时产生两种轨道而形成稳定混合叠加态——称为混合SU(2)相干态，进而从一个谐振腔中直接发射出具有混合轨道叠加态的“波迹二象”结构光。完备描述这种几何模式需要三个新的自由度：频率简并度（Ω）决定轨迹簇中的光线数目；离轴度（N）决定轨道模的横向尺度；振动相位（ϕ）决定轨迹簇中不同光线的相对位置和取向（如图1c），并形成不可分离叠加态，即经典纠缠态。

图1混合SU(2)结构光的产生原理：在平凹谐振腔中精密控制腔长和曲率半径使其满足各种横纵模耦合的频率简并态，相应频率简并谐振腔可满足几何光线轨迹形成各种周期振荡轨道，还可能产生两种取向的周期轨道同时产生并满足谐振条件而形成混合轨道。

图片来源：Optica Vol. 7, Issue 7, pp. 820-831 (2020)（Fig.1）

进一步，为了产生矢量结构，实验上巧妙地采用在轴截面具有各向异性的c-cut晶体作为增益介质，由于光腔内不同横向尺度控制下的光迹轨道以不同的倾角通过增益晶体，因而对混合波迹模式的各个轨道上的光形成了不同程度的偏振调制。为了产生涡旋结构，采用了传统柱透镜像散模式转换器，由于SU(2)相干态模式可以看作本征模的叠加波包，因而可类似传统HG到LG模式转换的过程引入OAM，这个过程中横向离轴度被转化为OAM，同时波迹二象性使得光束具有双层双曲直纹线涡旋结构，横截面上每层构成正多边形阵列，两层合并为标准多角星形状（如图2）。综合两种调制方法，标量混合SU(2)平面结构光可以拓展为矢量混合SU(2)涡旋结构光，形成多自由度操控的SAM-OAM耦合态，其中频率简并度（Ω）决定横截面多角星的边数（五角星：Ω=1/5；六角星：Ω=1/6；等等）；轨道角动量（ℓ）决定光束空间尺寸和扭曲程度，相位ϕ决定多角星图案的取向角。

图2 混合SU(2)结构矢量涡旋光的空间波包分布（左列）和各种偏振矢量特性测量的理论（Sim）和实验（Exp）结果。
图片来源：Optica Vol. 7, Issue 7, pp. 820-831 (2020)（Fig.4）

这种新型混合SU(2)结构矢量涡旋光具有比传统矢量光或涡旋光更丰富的拓扑相位奇点和偏振奇点，对于不同的矢量状态，光束中展现了不同程度万花筒状的偏振奇点分布（图3）。另外，这种新型结构光还具有额外的新自由度有待拓展。例如，以上展示的频率简并态中，混合轨道只有一种叠加的方式去满足共用一对拐点与泵浦光斑同时匹配的调节，而在更高阶的频率简并态下，随着腔内振荡轨道拐点数的增加，理论上将可能存在多种混合轨道叠加态，这一可能存在的叠加态数目——轨道组合数，将是一个可以被操控的崭新自由度。此外，以上结果只展示了两个独立轨道态叠加态的结果，而在更高阶的频率简并态下，理论上将有可能存在三重、四重、甚至更多重轨道叠加态，使得光束具有更奇异的形状和更丰富的性质。

图3 混合SU(2)结构矢量涡旋光的拓扑相位和偏振奇点。
图片来源：Optica Vol. 7, Issue 7, pp. 820-831 (2020)（Fig.5）

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应用与展望
“超自由度”矢量涡旋光的出现打破了传统自旋-轨道角动量双自由度的限制，从此光束结构可以模拟多粒子多自由度的纠缠态，使得发展高维多通道大容量的量子和经典光通信技术成为可能。多自由度结构光的出现也预示了传统光镊和粒子操控技术的革新，即多个粒子可以被同一束光捕获并控制它们的多自由度运动。同时该新型结构光也可用于加工领域，通过更丰富、可定制的微纳结构在材料上进行高效加工。新型光束更为精密的奇点分布也适合发展新的超分辨成像和精密测量技术（关于更多应用，推荐阅读该课题组的 Light: Science & Applications 综述论文：）。更重要的是，这种新型结构光束可以通过一个紧凑型微片激光器直接产生，为新型多自由度光束的广泛应用拓展创造极大的方便和无限可能。

05
作者简介

申艺杰 博士
申艺杰现为英国南安普顿大学玛丽·居里学者研究员（Marie S.-Curie Research Fellow），于光电研究中心（Optoelectronics Research Centre，ORC）纳米光学与超材料组（Nikolay I. Zheludev课题组）进行研究。2015年获得华南理工大学获得机械工程及自动化专业学士学位；2019年获得清华大学精密仪器系光学工程专业博士学位；2019年3月到6月期间受邀为访问学者于南非金山大学物理学院结构光实验室（Andrew Forbes课题组）与南非CSIR国家激光中心进行合作研究。
申艺杰当前的研究领域为结构光操控，光学角动量，量子纠缠，超快非线性光学，纳米光学与超材料。
申艺杰是2019年王大珩光学奖获得者，现为中国光学学会会员，中国力学学会会员，美国光学学会（OSA）特邀会员（系统与仪器组资深会员），中国国家一级计算机制图员。担任Opt. Lett., Opt. Express, IEEE Photon. J.,J. Opt.等多个国际学术期刊审稿人，J. Opt.期刊学术顾问委员会成员，获得 2019年度英国皇家物理学会（IOP）杰出审稿人荣誉。在国际学术会议及研究机构做学术报告10余次，以第一作者及通讯作者在物理及光学领域知名期刊Light: Sci. & Appl., Optica, Phys. Rev. A, Opt. Lett., Opt. Express等发表学术论文40余篇并有数百次引用。
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文章信息
相关成果以“ Structured ray-wave vectorvortex beams in multiple degrees of freedom from a laser ”为题，近期发表于美国光学学会（OSA）旗舰期刊Optica，并入选了2020年第7期封面文章。
清华大学申艺杰博士（现为英国南安普顿大学的玛丽·居里学者研究员）为该论文的第一作者和通讯作者，该工作为清华大学付星特别研究员课题组与南非金山大学Andrew Forbes课题组的合作项目成果，清华大学为论文的第一单位。该工作还得到了南非CSIR国家激光中心、北京理工大学等单位的合作支持。此外，该工作获得了国家自然科学基金、北京市自然科学基金的资助，以及清华大学光子测控技术教育部重点实验室平台的支持。
原文地址 https://doi.org/10.1364/OPTICA.382994