【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近期，中國科學(xué)院上海光機所強場激光物理國家重點實驗室和空天激光技術(shù)與系統(tǒng)部，以及復(fù)旦大學(xué)、海南大學(xué)等單位合作，在時空渦旋串研究中取得重要進展。相關(guān)成果以“Spatiotemporal vortex strings”為題發(fā)表在Science Advances上。
 

　　渦旋光不僅攜帶軌道角動量(OAM)，而且具有獨特的光學(xué)性質(zhì)，因此在微觀粒子操控、大容量光通信、超分辨成像等方面具有廣泛應(yīng)用。時空渦旋(STOV)是攜帶橫向軌道角動量的一種新型的光學(xué)渦旋，在各種光學(xué)現(xiàn)象中表現(xiàn)出新奇的特性，因此近年來備受關(guān)注。目前，利用4f整形系統(tǒng)能夠可控地產(chǎn)生時空渦旋光。然而，傳統(tǒng)的時空渦旋光通常只攜帶一種OAM模式，一個脈沖攜帶多個橫向OAM 模式的“時空渦旋串”尚未見報道。此外，時空渦旋串的相位在時域上快速變化，因此使用目前最常用的 STOV 測量方法(掃描干涉法和瞬態(tài)光柵光譜干涉法)探測波包中的所有 OAM 模式是比較困難的。
 

　　在該研究中，研究團隊成功產(chǎn)生了攜帶多個OAM模式且拓撲荷可控排列的時空渦旋串，實驗裝置如圖1所示。該研究從理論和實驗上驗證了一個超快光脈沖可以加載幾十個STOV。圖2展示了具有隨機拓撲荷排列、攜帶28個STOV的時空渦旋串的結(jié)果。利用衍射方法，一次性讀出了脈沖內(nèi)所有STOV的拓撲荷排列，實現(xiàn)了時空渦旋串的快速、并行檢測?；跁r空渦旋串，研究團隊還提出了一種新的光通信編碼/解碼方法，即多態(tài)橫向 OAM 鍵控技術(shù)(multi-state transverse OAM shift keying，MS-TOAMSK)，利用攜帶2種OAM態(tài)、16個STOV的時空渦旋串實現(xiàn)了128×128的上海光機所所標(biāo)的傳輸(圖3)，演示了這種新型結(jié)構(gòu)光在光通訊中的應(yīng)用。
 

　　該研究將一個脈沖內(nèi)加載的STOV從一兩個拓展到幾十個，并利用衍射方法實現(xiàn)了波包中所有STOV的一次快速檢測，極大地提高了信息編碼和解碼的能力。關(guān)于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用展示證實了時空渦旋串作為信號傳輸載體的優(yōu)勢。相關(guān)結(jié)果得到Science Advances審稿人的高度評價：主要結(jié)果相當(dāng)有趣和新穎(“quite interesting and novel”)；基于時空渦旋的圖像編碼和傳輸令人印象相當(dāng)深刻(“quite impressive”)；這是第一次展示時空渦旋光的用途(“It is the first time that the usefulness of STOVs is demonstrated…”)。
 

　　相關(guān)研究得到國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院、上海市科委等項目的支持。
 

圖1. 時空渦旋串的產(chǎn)生和探測裝置示意圖。
 

　　圖2. 攜帶28個STOV的時空渦旋串的衍射圖像及產(chǎn)生該渦旋串所用的相位圖。(A)用于產(chǎn)生具有隨機拓撲荷排列、攜帶28個STOV的時空渦旋串的相位圖；(C)和(D)分別為理論模擬結(jié)果和實驗測量的該渦旋串的衍射圖像；(B)用于產(chǎn)生具有隨機正負一階拓撲荷排列的時空渦旋串的相位圖；(E)為實驗測量的該渦旋串的衍射圖像。

 

　　圖3.(A)基于時空渦旋串的信息編碼解碼原理示意圖;(B)發(fā)射和(D)接收的上海光機所所標(biāo)；(C)數(shù)據(jù)傳輸過程中第100幀時空渦旋串所對應(yīng)的相位圖和衍射圖，解碼的拓撲荷序列用綠色數(shù)字表示。