[发明专利]产生时空涡旋光场的方法及时空涡旋光场的检测方法

说明书

本发明涉及一种产生时空涡旋光场的方法及时空涡旋光场的检测方法，通过在空间频率‑频率面，对啁啾飞秒激光脉冲施加涡旋相位，从而在时间‑空间面产生涡旋光场。再通过参考超快脉冲会与被测量的时空涡旋光场进行干涉，测量和记录干涉条纹的强度分布，最后通过在时间维度上的几百个切片形成的干涉条纹，重建时空涡旋光场的相位分布信息和空涡旋光场的三维强度分布信息。不需要利用复杂的非线性效应，即可方便的产生具有可控纯横向光学轨道角动量的时空涡旋光场，光能在空间和时间维度上流动，具有新颖独特的应用前景；本发明方法也可推广到其它光谱范围甚至其它具有波动特性的物理场，为在更广范围内研究具有时空涡旋的物理场提供了开创性的方法。

技术领域

本发明涉及一种光学技术，特别涉及一种产生时空涡旋光场的方法及时空涡旋光场的检测方法。

背景技术

众所周知，光具有沿传播方向的线性动量。此外，光也具有角动量。光的角动量包括与圆偏振相关的自旋角动量和与涡旋相位相关的轨道角动量。光的自旋角动量一般是纵向的。光的纵向自旋角动量对应左旋圆偏振和右旋圆偏振两个状态。近年来，光的横向自旋角动量开始被发现，例如紧聚焦的光束以及波导的倏逝波。横向自旋角动量的独特性质被逐渐应用于自旋轨道角动量耦合、量子光学通信以及光镊等新方向。

另一方面，光学轨道角动量与光学自旋角动量的性质截然不同。光学轨道角动量通常是在光束的横截面施加螺旋相位而产生，该螺旋相位旋转一周的相位变化量一般是2的整数倍，这个整数被称为拓扑荷。螺旋相位的旋转方向对应拓扑荷的正负号。螺旋相位的中心是一个相位奇点，强度为0，因此光束横截面的光强分布为环形，这样的具有涡旋相位的光场的Poynting矢量具有横向分量，横截面上不同位置的Poynting矢量的横向分量环绕相位奇点。与光学自旋角动量只有两个态不同，光学轨道角动量的态的数目是无穷的，因为拓扑荷可以取任意的整数。光学轨道角动量可应用于光镊、超分辨率显微镜以及高速光通信。

上述光学轨道角动量的方向是纵向的，而横向光学轨道角动量的研究还非常稀少。有限的理论工作表明，横向光学轨道角动量可能以时空涡旋光场的形式存在。在极高功率脉冲激光和空气的非线性相互作用中，一小部分能量在子午平面内循环流动，形成具有横向光学轨道角动量的的时空涡旋光场。上述实验需要复杂的非线性相互作用，而且只有一小部分能量具有横向光学轨道角动量，不适合实际应用。

发明内容

本发明是针对时空涡旋光场的应用问题，提出了一种产生时空涡旋光场的方法及时空涡旋光场的检测方法，利用锁模啁啾脉冲和液晶光调制器，进行时空傅里叶变换，产生时空涡旋光场。

本发明的技术方案为：一种产生时空涡旋光场的方法，通过在空间频率-频率面，对飞秒激光器发出的啁啾脉冲施加涡旋相位，从而在时间-空间面产生涡旋光场。

所述在空间频率-频率面，对啁啾脉冲施加涡旋相位具体方法：首先，飞秒激光器发出的啁啾脉冲先后经过衍射光栅和柱透镜进行时间-频率域的傅里叶变换，再入射到液晶光调制器在空间频率-频率面施加涡旋相位。

所述液晶光调制器的涡旋相位可控，可取任意的拓扑荷，并且相位奇点的位置也可选择。

所述啁啾脉冲为锁模飞秒激光器产生的脉宽为3ps的啁啾脉冲。

所述啁啾脉冲先后经过衍射光栅和柱透镜进行时间-频率域的傅里叶变换，再入射到液晶光调制器在空间频率-频率面施加涡旋相位，最后在自由空间的传播完成空间-空间频率的傅里叶变换，自由空间传播距离大于瑞利距离，完成时空两个维度的傅里叶变换，产生时空涡旋光场。