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高轨道角动量的高次谐波产生

发布时间: 2017-08-28 15:18:32   作者:本站编辑   来源: 本站原创   浏览次数:

 

  不同于具有轴上最大强度和近平面波前的圆柱对称波前,轨道角动量激光具有圆环的强度轮廓和螺旋形的波前。实验证明用轨道角动量可以产生纠缠光子,这开拓了量子计算的新方向。轨道角动量极大地增强了光通信能力,在超高分辨率显微成像中有着重要作用,使得各种新的光镊子可以得到应用,甚至可以用来诊断旋转式黑洞。因为轨道角动量是光的基本特征,所以这些应用都是可行的,可以将轨道角动量作为一个独立的自由度来控制。许多光学过程,如高次谐波产生,不允许独立的轨道角动量和频率操作,因为能量和动量是守恒的。科学家们做了很多努力致力于证明这个假设,许多实验和理论模型证实了在高次谐波产生中能量和动量守恒这也成为了利用涡旋激光产生高次谐波的主流观点。 

  与之相反,在本文中,作者验证了一个用拉曼散射过程来创造高轨道角动量的高次谐波,其保留了激光频率和总的角动量,从而操纵轨道角动量独立于任何其它激光特征。最近提出了一个有趣的产生高轨道角动量激光的方式,其中轨道角动量和频率谐波仍然耦合。正如作者即将展示的,只有对轨道角动量和激光频率进行独立操控,轨道角动量的潜在应用价值(如超高分辨率显微成像)才能得以实现。 

  1.(a)受激拉曼散射中的高轨道角动量谐波产生机制示意图。(b)-(d) 最初为高斯脉冲种子激光的横向场分布 

  作者考虑一个三波相互作用机制,在等离子体中激发背向拉曼散射。背向拉曼散射的研究一直基于一维物理模型框架,重点研究了干预波之间的能量流动。作为一项应用,作者最近表明背向拉曼散射可以放大携带单个轨道角动量的种子脉冲到所需的强度,从而探索相对论激光与等离子体相互作用。在这里,作者证明了三波相互作用也可以用来操纵三维时空激光脉冲结构,这具有前所未有的可控性。具体来说,作者表明,如果泵浦包含几个具有不同轨道角动量阶数的模式,种子将获得高轨道角动量谐波同时保留其载波频率[如图1(a)所示] 

  1(b)-(d)展示了与相向传播的泵浦光相互作用后,最初为高斯脉冲种子激光的横向场分布。种子光的横向包络沿方位角ϕ方向在精确的位置发展成等间距的几瓣。瓣的数量对应于0001。对于=1,一个独立的瓣出现了 [1(b)]。当=2,形成两个间隔为Δϕ=π的小瓣 [1(c)],=3 形成三个间隔为Δϕ=2π/ 3的小瓣 [图1(d)]。我们注意到 a00和a01(和a1)是局部的,半径依赖于每个模式的振幅。 

 

  2.PIC模拟中的高轨道角动量高次谐波谱 

  总而言之,本文概述了一项方案可以提高目前的超分辨率显微成像技术,同时强调了控制轨道角动量作为一个独立的自由度的重要性。如果考虑一个由两种轨道角动量,阶次分别为+-拉盖尔-高斯模式组成的花瓣状激光脉冲,连续强度最大值之间的距离是d=2πr0/, r0=w0是轴到强度最大值之间的径向距离。距离d是基于这些光束的成像系统的分辨率数值。简单的计算表明,在传统高次谐波产生n次谐波中,d降低到dHHG=2πw0/因此,分辨率随增加。结合传统的高次谐波和拉曼机制在傍轴近似下可以进一步将d减少到至少。高轨道角动量谐波可以通过使用计算机生成全息图在实验中检测到,并由于群速度之间的差异在真空中空间上分开。此机制可以推广到其他成套的广义近轴波方程的解决方案,如埃尔米特-高斯原理。因为轨道角动量谐波产生是将等离子体波的波状性质作为一个光学元件造成的,因此本文的这项工作可能会引起新类型的螺旋相元素从而能够增强对轨道角动量的操控。 

摘译自:Vieira J, Trines R, Alves E P, et al. High orbital angular momentum harmonic generation[J]. Physical Review Letters, 2016, 117(26): 265001.

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