高度局域線偏振時空光渦旋的生成方法

鄭鵬坤，陳 建

（上海理工大學 光電信息與計算機學院，上海 200093）

引 言

光子可以攜帶與偏振態有關的自旋角動量（SAM）和與螺旋相位有關的軌道角動量（OAM）[1]。在被廣泛研究的空間域渦旋光束中，其攜帶的縱向OAM與光束的傳播方向平行，并且只能在光束橫截面內觀察到渦旋相位。渦旋結構與光子軌道角動量密切相關[2-4]，這在光學及量子信息通信技術中得到驗證。如Mair等[5]演示了攜帶OAM的電磁場空間模型，Uchida等[6]報道了自由空間中攜帶OAM的電子束的產生，Wang等[7]的研究表明在通信領域OAM可能是提高自由空間通信能力的一個有用的自由度，Bozinovic等[8]演示了利用光的軌道角動量來建立不同的數據傳輸通道的可能性。

隨著對渦旋光束的研究越來越深入，時空域光渦旋（STOV）引起了人們的極大興趣。通過引入時間域內的相位變化，所形成的渦旋光束繞著垂直于傳播方向的軸旋轉，可以獲得純橫向OAM。在時空光場領域一些關于時空光渦旋和橫向OAM的開創性研究已經發表，比如Bliokh等[9]在理論上構造出可以任意角度攜帶軌道角動量的波束，Jhajj等[10]從實驗上證實時空光渦旋的存在，Hancock等[11]演示了時空光渦旋在自由空間中的產生和傳播，Chong[12]利用空間頻率-頻率面到空間-時間面的傅里葉變化，成功生成并表征了攜帶橫向OAM的超短脈沖光波包。

在之前的研究中，我們已經使用預處理的時空波包，在焦平面處產生具有橫向OAM的標量STOV[13]。本文主要介紹強聚焦條件下生成偏振態可控的線偏振時空光渦旋的方法，并對聚焦后的波包性質進行分析。該方法為實驗生成高度局域的矢量時空光渦旋鋪平了道路，在納米光子學、光與物質相互作用、電光鑷等方面具有潛在的應用前景。

1 入射波包預處理

不失一般性，具有拉蓋爾-高斯模分布且拓撲荷為+1的水平偏振STOV可表述為

式中： ω 是波包在空間域內的束腰半徑， ωt是時域中波包最大強度的 1 /e2處的半脈沖寬度。ex是沿x方向的單位向量。同樣地，拓撲電荷為-1的水平線偏振光STOV可表述為

通過之前的研究可知，由于時空像散效應，波包中的時空螺旋相位在通過高數值孔徑透鏡聚焦時會被破壞[13]。為了防止時空相位結構的崩潰，我們用類似于柱透鏡模式轉換器中用于從厄米-高斯（HG）模式轉換為拉蓋爾-高斯（LG）模式的預處理方式，以此來產生強聚焦時空光渦旋波包[14]。由于HG模式可以由LG模式線性疊加而成，上述兩個水平線偏振時空光渦旋波包線性疊加之后可獲得所需的預劈裂入射時空波包：

類似地，垂直線偏振入射場和45°偏振入射場分別為

式中ey是沿y方向的單位向量。

預處理后的水平線偏振入射波包（等值面為峰值強度的10%）如圖1（a）所示。從式（3）可知，水平偏振光的y偏振分量為0，因此x偏振分量也就是總入射場，從圖1（a）可以看到x偏振分量波包被劈裂成兩部分，x=0、y=0、t=0三個截面上的強度分布形狀與HG01模相似。如圖1（b）所示，x分量的相位分布被二值化為π/4（黃色區域）和-3π/4（藍色區域）。從圖1（c）可以清楚地看出預處理后的波包在空間域為水平線偏振。

圖 1 水平線偏振入射波包強度、相位及x-y面偏振分布圖Fig. 1 Intensity, phase and polarization distribution in x-y plane of horizontally polarized incident wave packet

圖2為垂直線偏振入射波包強度、相位、偏振分布圖。對比圖1可以看出，垂直線偏振入射波包形狀、強度、相位分布都與水平偏振相同，但空間域偏振分布二者為正交關系。從圖2（c）可以看出預處理后的波包在空間域為垂直線偏振。

圖 2 垂直線偏振入射波包強度、相位及x-y面偏振分布圖Fig. 2 Intensity, phase and polarization distribution in x-y plane of vertically polarized incident wave packet

圖3為45°線偏振入射波包強度、相位、偏振分布圖。從式（5）可知45°線偏振入射波包的x偏振分量和y偏振分量相等。圖3（b）反映出45°線偏振入射波包的相位分布與前面的水平、垂直線偏振入射波包的相位分布相同。圖3（c）顯示預處理后的波包在空間域為45°線偏振。

圖 3 45°線偏振入射波包強度、相位及x-y面偏振分布圖Fig. 3 Intensity, phase and polarization distribution in x-y plane of 45° polarized incident wave packet

2 高數值孔徑透鏡聚焦時空波包

圖4給出了預處理波包的強聚焦示意圖。其中er和eφ分別是在柱坐標系下入射場的徑向和角向單位矢量，為像空間中球坐標系中的徑向和角向單位矢量。利用這些單位矢量來說明入射波包的偏振方向經透鏡折射之后發生的變化。從圖4可以看出，入射波包的徑向單位矢量在被透鏡折射后方向發生了變化，從而在焦場中產生了z偏振分量；其角向單位矢量不會發生變化。

圖 4 時空渦旋強聚焦示意圖Fig. 4 Schematic diagram of the tight focusing of STOV

在后續的模擬仿真中，使用各向同性介質的物鏡，將入射波包的空間大小歸一化為透鏡的NA，設置 ω =0.5 ， ωt=0.5，NA=0.9 。

在焦場的數值仿真計算中，采用了一種簡化的模型，忽略時空耦合，假設入射波包的每個時間切片都聚焦在焦場的共軛位置，同時忽略色差和其它像差的影響。隨后利用Debye衍射積分公式計算焦平面上的強聚焦時空波包[15-16]。衍射積分公式如下：

式中α是由透鏡的NA決定的收斂半角。rf=P(θ,?) 為球面Ω上折射場的偏振分布[17-18]。B(θ) 描述透鏡的切趾函數，對于正弦透鏡EΩ(θ,?,t)描述球面Ω上折射場的復振幅分布，由笛卡兒坐標系與球坐標系之間的轉換關系，EΩ(θ,?,t)可以寫為

水平線偏振光P(θ,?) 可以表示為

垂直線偏振光P(θ,?) 可以表示為

45°線偏振光P(θ,?) 可以表示為

3 聚焦場時空結構分析

首先，圖5給出了水平線偏振入射波包聚焦后焦場的x、y和z偏振分量的強度、相位以及等值面波包圖（等值面為最大強度的20%）。圖5（a）、5（b）分別是x分量的強度和相位分布圖；圖5（c）、5（d） 分別是y分量的強度和相位分布圖；圖5（e）、5（f） 分別是z分量的強度和相位分布圖。從圖5（a）可以看到等值面波包有一個沿y軸的相位奇點軌跡，對應的相位分布圖5（b）在x-t面從-π到π呈逆時針變化，這表明x分量在x-t面內攜帶拓撲荷+1的橫向OAM。從圖5（c）可以看到y分量強度很小，和x分量相差2個數量級，因此y分量可以忽略不計。從圖5（e）可以看出，聚焦時空渦旋具有較強的z分量，其峰值強度約為x分量的29%。從圖5（d）和5（f）可以看到y分量和z分量均沿y軸有兩個相位奇點軌跡，相位分布同樣從-π到π呈逆時針變化，表明y和z分量在x-t面同時攜帶兩個拓撲荷為+1的橫向OAM。

圖6給出了聚焦時空渦旋的總強度和偏振分布。圖6（a）為聚焦時空渦旋的強度分布及等值面波包圖（等值面為最大強度的30%）?？偨箞龅牟ò螤钆cx分量的波包形狀基本一致，因此x分量決定了總焦場的波包形狀。圖6（b）為空間域（x-y面）偏振分布圖，從中可以看出聚焦波包在空間域的偏振分布呈水平線偏振。

圖7給出了垂直線偏振入射波包聚焦后焦場的x、y和z偏振分量的強度、相位以及等值面波包圖（等值面為最大強度的20%）。從圖7（a）可以看出x分量強度很小，比y分量低兩個數量級，可以忽略不計。從圖7（b）可以看出，x分量在x-t面內攜帶兩個拓撲荷為+1的橫向OAM。圖7（c）顯示聚焦波包的y分量有一個沿y軸的相位奇點軌跡，對應的相位分布如圖7（d）所示，在x-t面從-π到π呈逆時針變化，這表明y分量攜帶拓撲荷為+1的橫向OAM。從圖7（e）可以看出聚焦時空渦旋具有較強的z分量。圖7（f）顯示z分量沿y軸有相位奇點軌跡，在x-t面的相位從-π到π呈逆時針變化，表明z分量攜帶一個拓撲荷為+1的橫向OAM。

圖 5 水平線偏振焦場分量強度及相位圖Fig. 5 Intensity and phase distribution of the horizontally polarized focal field component

圖 6 水平線偏振總焦場強度及x-y面偏振分布圖Fig. 6 Total intensity and polarization distribution in x-y plane of the horizontally polarized focused STOV

圖8給出了聚焦時空渦旋的總強度和偏振分布。圖8（a）為垂直線偏振總焦場強度分布及等值面波包圖（等值面為最大強度的30%）。垂直線偏振總焦場波包形狀與y分量基本一致?？偨箞龅牟ò螤钣蓎分量決定。從圖8（b）x-y面偏振分布圖中可以看出聚焦波包在空間域的偏振分布為垂直線偏振。

最后，圖9給出了45°線偏振入射時空波包聚焦后焦場的x、y和z偏振分量的強度、相位以及等值面波包圖（等值面為最大強度的20%）。從圖9（a）、9（c）可以看到焦場的x分量和y分量的波包沿y軸都有一個相位奇點軌跡，觀察圖9（b）、9（d）可以發現x分量和y分量在x-t面有一個相位奇點，相位分布從-π到π呈逆時針變化，這表明他們都攜帶拓撲荷為+1的橫向OAM。從圖9（e）可以看出，聚焦時空渦旋的z分量峰值強度約為x分量的29%，其波包有兩個傾斜的相位奇點軌跡；圖9（f）顯示z分量在x-t面有兩個相位奇點，相位分布同樣從-π到π呈逆時針變化，這表明z分量攜帶兩個拓撲荷為+1的橫向OAM。

圖 7 垂直線偏振焦場分量強度及相位圖Fig. 7 Intensity and phase distribution of the vertically polarized focal field component

圖 8 垂直線偏振總焦場強度及x-y面偏振分布圖Fig. 8 Total intensity and polarization distribution in x-y plane of vertically polarized STOV

圖10給出了聚焦時空渦旋的總強度和偏振分布。圖10（a）為總焦場強度分布及等值面波包圖（等值面為最大強度的30%），可以看出波包中間的相位奇點軌跡不再是垂直于x-t面，其角度發生了一定的偏轉。圖10（b）清楚地顯示聚焦場在空間域的偏振分布為45°方向線偏振。

圖 9 45°線偏振焦場分量強度及相位圖Fig. 9 Intensity and phase distribution of 45° polarized focal field component

圖 10 45°線偏振總焦場強度及x-y面偏振分布圖Fig. 10 Total intensity and polarization distribution in x-y plane of 45° polarized STOV

4 結 論

我們研究了預處理的線偏振波包經強聚焦生成具有橫向OAM的時空光渦旋，并對其強度和相位分布特性進行了分析。水平線偏振入射波包強聚焦后，焦場主要由x偏振分量決定；垂直線偏振入射波包強聚焦后，焦場主要由y偏振分量決定；當45°偏振入射波包強聚焦后，焦場的水平偏振分量和垂直偏振分量強度基本相同，且均攜帶拓撲荷為+1的橫向OAM。三種線偏振入射波包經高數值孔徑透鏡聚焦后，其焦場均具有較強的z分量；對于水平偏振和45°偏振入射波包而言，其強聚焦場的z分量具有兩個橫向相位奇點軌跡；對于垂直偏振入射波包而言，其強聚焦場的z分量則只有一個橫向相位奇點軌跡。前期的研究在理論上生成了攜帶橫向OAM的亞波長標量時空光渦旋，沒有對焦場時空波包的偏振分析，本文將研究內容拓展到矢量場，加入針對線偏振特性的研究。報道的方法可以通過定制入射波包，經過高NA透鏡聚焦后，在焦平面獲得偏振態可控的具有橫向OAM的高度局域線偏振時空光渦旋，其在光與物質相互作用、等離子體物理、光鑷等方面有潛在的應用前景。