封面 | 时空光学摩天轮光束的跨频段传输

Sandan Wang, Jinpeng Yuan, Lirong Wang, Liantuan Xiao, Suotang Jia, "Trans-spectral transfer of spatio-temporal optical Ferris wheel with nonlinear wave mixing," Photonics Res. 12, 2559 (2024)

光场调控是一种通过精准控制光波与物质的相互作用来调控光物理特性的关键技术手段，广泛应用于光传感和光通信等领域。传统的光场调控研究主要集中在光的频率、振幅、相位和偏振等物理参数。近年来，随着空间结构与时间维度的融合，时空结构光场这一具备复杂动态轨迹和时空特性的光场应运而生，为精密测量和量子通信等领域带来了新的技术手段，推动了光学信息处理的革命性进展。传统的时空结构光场操控依赖于线性光学元件，这些元件制造难度大、材料要求高、损伤阈值低且成本高，在短波长范围内实现高效操控面临巨大挑战。为了克服这些限制，非线性频率转换技术应运而生。该技术利用非线性光学材料，通过非线性光学效应，为构建、检测和操控跨波长光场提供了强有力的工具。碱金属原子作为纯净无杂的非线性介质，具有调谐范围广、损伤阈值高、易饱和等优点，是研究光场调控的理想平台。因此，基于碱金属原子系综的非线性频率转换技术为从可见光到短波长范围内的跨频段时空结构光场操控提供了一种可行的解决方案。

为此，山西大学激光光谱研究所元晋鹏教授、汪丽蓉教授团队在实验上首次利用非线性频率转换实现了时空光学摩天轮光束的跨频段传输。该研究结合光学频率梳与光学涡旋，通过脉冲—脉冲（pulse-to-pulse）干涉技术制备了空间结构和时间特性高度可控的时空光学摩天轮光束；借助铷原子介质的四波混频过程，成功将时空光学摩天轮光束从近红外波段传输至蓝紫波段。其实验通过观察输入与输出光束相同的多瓣强度分布，验证了空间特性的转移；同时，通过输入与输出光束旋转速度和方向的同步，证实了时间特性的成功转移，转移精度达到~ 98%。相关研究成果以“Trans-spectral transfer of spatio-temporal optical Ferris wheel with nonlinear wave mixing”为题发表于Photonics Research 2024年第11期，被遴选为封面文章。

图1 (a) 非线性波混频实现时空光学摩天轮的跨频段传输原理示意图；(b) 脉冲-脉冲干涉实验装置示意图；(c) 时空光学摩天轮光束传输实验装置示意图

非线性波混频过程实现时空光学摩天轮光束的跨频段传输原理如图1(a)所示。780 nm高斯泵浦光束和776 nm时空光学摩天轮探测光束分别用于激发铷原子5S_1/2 – 5P_3/2和5P_3/2 – 5D_5/2跃迁。随后，被激发至5D_5/2态的原子自发辐射至6P_3/2态，产生5.23 μm的中红外光子。最终，在强原子相干作用下，四波混频过程产生具有时空特性的420 nm时空光学摩天轮光束，实现了时空光学摩天轮光束从输入探测光到输出信号光的传输。图1(b)为实验装置示意图。通过将左旋和右旋圆偏振的光学涡旋分别叠加至光学频率梳，形成光学涡旋梳；将具有相反拓扑荷（l₁= |l₂|）和偏频差（Δf）的光学涡旋梳进行脉冲-脉冲干涉叠加，获得同时具有空间和时间特性的近红外时空光学摩天轮光束。将780 nm高斯泵浦光束与776 nm时空光学摩天轮探测光束同时作用于铷原子蒸气，最终通过电荷耦合器件探测四波混频过程中产生的420 nm时空光学摩天轮光束。

图2 (a)和(b)分别为拓扑荷l₁ = 1, 2, 3, 5, 7, 9和l₂ = -1, -2, -3, -5, -7, -9时，实验获得的涡旋梳光束的强度剖面；(c)和(d)分别为拓扑荷差Δl = 2, 4, 6, 10, 14, 18时，输入776 nm和输出420 nm时空光学摩天轮光束的强度分布

图2(a)为实验获得的拓扑荷为l₁ = 1, 2, 3, 5, 7, 9的左旋圆偏振涡旋梳光束的强度剖面，这些光束均呈现空间环形轮廓，且半径R_l随l的增加呈线性增长趋势。图2(b)表示拓扑荷为l₂ = -1, -2, -3, -5, -7, -9的右旋圆偏振涡旋梳光束的强度剖面。可以观察到，当l₁ = |l₂|时，涡旋梳光束具有相同的形貌。将图2(a)和2(b)所示的具有相同强度和相反拓扑荷涡旋梳光束进行干涉叠加，即可获得同时具有空间和时间特性的776 nm时空光学摩天轮光束，如图2(c)所示，其空间特性表现为点对称分布的多瓣亮斑强度分布，亮斑数量由Δl = |l₁ - l₂|决定；时间特性表现为光束的周期性旋转，其旋转周期由T = Δl/Δf 决定。在四波混频过程中，产生的420 nm信号光的强度分布如图2(d)所示，结果展现出与776 nm探测光束相同的点对称多瓣亮斑和匹配的光束尺寸，表明时空光学摩天轮光束的空间特性从入射探测光转移到了出射信号光上。

图3 当Δl = 6，Δf = ±2 Hz时，时空光学摩天轮光束的时间特性转移；(a)和(c)分别为776 nm探测光和420 nm信号光随时间的旋转模式；(c)和(d)分别为光束最大强度方位角ϕ_max随时间的变化

四波混频过程中时空光学摩天轮光束的时间特性转移通过探测光和信号光在不同Δl 和Δf情况下的周期性旋转来表征。当Δl = 6且Δf = 2 Hz时，探测光和信号光都展示出六瓣的空间强度分布，并且随时间呈现顺时针同步旋转，旋转周期均为T = 3 s，如图3(a)所示。光束最大强度的方位角ϕ_max = ϕ₀+ vt随时间的增加而增大，探测光的旋转速度为v_p = 2.09 rad/s，信号光的旋转速度为v_s = 2.07 rad/s，如图3(b)所示。此外，时空光学摩天轮光束的时间特性转移可以通过探测光和信号光的旋转方向进行表征，当Δf为正值时，探测光和信号光随时间沿顺时针方向同步旋转；当Δf为负值时，探测光和信号光随时间沿逆时针方向同步旋转，如图3(c)所示。当Δl = 6且Δf = -2 Hz时，探测光的旋转速度为v_p = -2.08 rad/s，信号光的旋转速度为v_s = -2.11 rad/s，如图3(d)所示。结果表明，时空光学摩天轮光束的时间特性实现了从输入探测光到输出信号光的有效转移。

“时空结构光场在量子计算、量子通信、光学传感等前沿领域具有广泛的应用前景。然而，由于光场空间结构和时间特性相互依赖，并且在高维度和短波长范围内的控制难度较大，因此其操控面临诸多挑战。”通讯作者元晋鹏教授表示，“本工作首次通过非线性频率转换实现了时空光学摩天轮光束的跨频段传输，突破了传统线性光学元件在短波长范围内高效操控的挑战；利用铷原子的四波混频过程，成功将时空光学摩天轮光束从近红外波段传输至蓝紫波段，且保持了空间和时间特性的高精度转移，为时空结构光场的操控提供了新的技术手段，也为量子信息处理与多波长通信应用开辟了新的发展路径。”