飞秒光学涡旋的相位及轨道角动量的时空演化研究

Combining results in the frontier areas of optical vortices and ultrafast laser, we will study the spatiotemporal evolutions of phase distribution and orbital angular momentum in high-order femtosecond vortices and vortex arrays. In theory, basing on Huygens-Fresnel principle, we will propose a new method to generate high-order femtosecond vortices and arrays with multi-pin interferometer. We will establish the simulation algorithm of femtosecond vortices in Fresnel diffraction region, and derive the expression of orbital angular momentum in optical vortex field. We will study the dynamics in the generation and the annihilation of high-order femtosecond vortices and vortex arrays. In experiment, we will construct the ultrafast time-resolved system with few-cycle femtosecond laser to obtain the interference fringes of femtosecond vortices and the reference pulses. We use the spatially resolved Fourier transform spectrometry, and the amplitude and phase of reference pulse measured with spectral phase interferometry for direct electric-field reconstruction(SPIDER), to establish the phase retrieval algorithm of the femtosecond vortices. We will probe the spatiotemporal evolutions of phase distribution and orbital angular momentum of high-order femtosecond vortices and vortex arrays, and compare the experimental results with the theory. The studies of this project have potential applications in many fields such as optical micro-manipulation, optical information transmission and quantum entanglement.

本项目结合光学涡旋和超快激光等物理学前沿领域的成果，拟通过理论、模拟和实验的方法，研究高阶飞秒涡旋和涡旋阵列的相位及轨道角动量的时空演化特性。理论上，利用惠更斯-菲涅耳原理设计多孔干涉屏，产生高阶飞秒涡旋和涡旋阵列；建立菲涅尔衍射区飞秒涡旋光场的模拟算法，导出涡旋光场中光子轨道角动量表达式，研究高阶飞秒涡旋和涡旋阵列产生与消失的动力学过程。实验上，搭建具有超快时间分辨的测量系统，获取少周期飞秒涡旋与参考脉冲的干涉条纹；利用飞秒激光空间分辨的傅里叶变换光谱，结合参考光谱相干电场重建仪(SPIDER)测量的参考脉冲的振幅和相位信息，建立飞秒涡旋的相位恢复算法；研究高阶飞秒涡旋和涡旋阵列的相位分布和轨道角动量的时空演化特性，以验证理论结果。本项目的研究对拓展光学涡旋和超快光学的研究新领域具有重要意义，并对光学微操纵、光信息传输及量子纠缠等领域有潜在的应用前景。

本项目结合光学涡旋和超快激光等物理学前沿领域的成果，完成了高阶飞秒涡旋的相位分布及轨道角动量的时空演化特性的理论、模拟和实验研究。通过研究各相邻小孔的面内径向距离对光波到达观察屏中心光程差的调节作用，分析得到小孔径向距离的设定、小孔数目、衍射距离等因素对飞秒涡旋质量的影响，提出了一种利用多孔螺旋阵列调制飞秒激光的相位分布实现高阶飞秒涡旋产生的新方法。理论上，利用傅里叶光谱展开法建立了飞秒涡旋光场的模拟算法，对多孔螺旋阵列产生飞秒涡旋光场进行了数值模拟，导出了飞秒涡旋中光子轨道角动量的表达式，理论分析了不同模式下产生的飞秒涡旋光场的强度、相位分布、轨道角动量和能流密度的时空演化特性。实验上，利用少周期飞秒激光器搭建了具有超快时间分辨的测量系统，建立了飞秒涡旋光场的相位恢复算法，利用马赫-曾德尔干涉光路和参考光谱相干电场重建仪，实验研究了高阶飞秒涡旋的相位分布和轨道角动量的时空演化特性，实验结果与理论结果吻合较好，分析可知各个时刻涡旋光场横截面上的轨道角动量随时间的变化几乎保持不变，而涡旋光场的强度和能流则随时间呈类高斯型分布，并且随着时间的改变飞秒涡旋的等相线绕光轴发生转动。本项目的研究对拓展光学涡旋和超快光学的研究新领域具有重要意义，并对光学微操纵、光信息传输及量子纠缠等领域有潜在的应用前景。