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超强激光科学卓越创新简报

(第二百六十七期)

2022年4月29日

上海光机所在时空涡旋光束衍射研究方面取得新进展并提出一种时空涡旋光束快速检测方法

　　近期，中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室研究团队对时空涡旋光束的衍射特性进行了研究。该研究揭示了时空涡旋光束的衍射规律，并利用此规律提出了一种时空涡旋光束拓扑荷值快速检测方法。相关成果以“Diffraction properties of light with transverse orbital angular momentum”为题发表在Optica上。

　　不同于以往常规空间涡旋光束其轨道角动量方向和光束传播方向平行（纵向轨道角动量），时空涡旋光束相位奇点存在于时间空间域，其轨道角动量方向与光束传播方向正交（横向轨道角动量）。时空涡旋光束进一步拓展了光束的自由度，提高了人们对光的认识，其在多个领域也将具有特殊应用。常规多色光的衍射作为光波的一种基本行为已经被人们熟悉，而目前关于携带横向轨道角动量的光束的衍射特性研究还比较少；此外，目前也缺乏一种能快速检测时空涡旋光束拓扑荷值的方法。

　　该团队在前期对时空涡旋光束的产生和传播特性进行了研究，获得了时空涡旋光束的产生及传播演化规律，相关成果发表在Optics Express，9(17)， 26995，（2021）。在此基础上，他们进一步对时空涡旋光束的衍射特性进行了研究。

　　研究人员从理论和实验上研究了时空涡旋光束的衍射特性。首先理论分析表明时空涡旋光束的衍射图样成多瓣结构，而瓣的数量或者瓣间沟隙个数和拓扑荷值对应。比如对于拓扑荷值为l的时空涡旋光束，其衍射图样具有l个瓣间沟隙。实验结果和理论计算结果匹配。

　　利用时空涡旋光束的这种特殊衍射特性，他们提出了一种不同拓扑荷值时空涡旋光束的快速检测方法，该简便快速的方法在需要快速识别时空涡旋光束的地方具有潜在应用，比如基于时空涡旋光束的光通信等。该研究促进了人们对时空涡旋光束物理特性的认识，并有望加速时空涡旋光束的应用。

　　相关工作得到国家自然科学基金，中国科学院战略性先导科技专项（B类），中科院仪器发展项目，上海市科学基金等项目支持。

　　原文链接

图1 基于4f脉冲整形系统时空涡旋光束产生（上部分）及时空涡旋光束的衍射及测量装置示意图（下部分）。

图2 不同阶次时空涡旋光束的光强分布图及其衍射图样。第1和2行分别为理论计算和实验测量得到的时空涡旋光束的光强分布图；第3和4行分别为理论计算和实验测量得到的时空涡旋光束的衍射图样。

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