我校庄松林院士、顾敏院士领导的未来光学国际实验室在光子轨道角动量研究领域再次取得重大突破。据了解，由詹其文教授领衔的纳米光子学团队首次从理论到实验展示了具有时空涡旋相位并携带光子横向轨道角动量的新型光场，开创了一个全新的光子轨道角动量自由度，在光通讯、光信息处理、量子光学、粒子操控、粒子碰撞、相对论空间物理等领域具有较大的研究和应用价值。该研究成果以“Generation of spatiotemporal optical vortices with controllable transverse orbital angular momentum”为题于2月24日在线发表在世界光学顶尖期刊《自然-光子学》上。
光子具有沿光束传播方向的线性动量。光子也可以携带角动量，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。通常光子的自旋角动量和轨道角动量都是沿光束传播方向。光子角动量在高速光通信、粒子操控、全息成像、量子光学等方面得到了广泛的研究和应用。以粒子操控为例，光子的自旋角动量可以使粒子以自身为轴进行旋转，而光子的轨道角动量可以使粒子以光束中心为轴进行旋转，类似于地球的自转和公转。近年来，研究表明在高数值孔径聚焦光场和瞬逝波光场中存在垂直于光束传播方向的光子横向自旋角动量。光子横向自旋角动量在光子自旋-轨道角动量耦合、量子光通信和表面等离基元定向传播方面得到了广泛关注和研究，而垂直于光束传播方向的光子横向轨道角动量尚未见报道。
上海理工大学团队利用基于空间频率-频率面到空间-时间面的傅里叶变换，成功生成并表征了携带横向光子轨道角动量的超短脉冲光学波包。这一新型光波包具有横向多色波涡旋相位结构，在光子能量快速向前传输的同时，光子能流围绕一个随波包移动的横向轴旋转，形成类似于快速移动的光子“飓风”。光子横向轨道角动量理论上可以具有无穷多个数值，也称为拓扑荷，可以通过多色波涡旋相位来控制。
光子横向轨道角动量的突破性研究进展是上海理工大学在光子轨道角动量研究领域又一重大突破。这一研究揭示了一个全新的光场态，开辟了一个新的光子轨道角动量维度，在光场与原子分子相互作用以及微纳结构与器件、宏观宇宙及相对论研究等方面具有广阔的潜在应用前景。
横向轨道角动量示意图
供稿：光电学院
