近日，《物理評論快報》（Physical Review Letters）以“Molecular wave plate for the control of ultrashort pulses carrying orbital angular momentum”為題，在線發(fā)表了武漢光電國家研究中心陸培祥教授領導的“強場超快光學”創(chuàng)新研究群體在超短渦旋脈沖產(chǎn)生與調控方面的最新研究成果。

超短渦旋激光脈沖因其具有螺旋波前結構和軌道角動量，在原子分子光物理、量子信息處理、高容量通信和超快成像等領域具有廣泛應用前景。然而，傳統(tǒng)的渦旋光產(chǎn)生手段（如螺旋相位板、液晶空間光調制器等）受限于帶寬、色散和易損傷等問題，難以滿足高強度、超短脈寬渦旋脈沖產(chǎn)生的需求。

針對這一問題，蘭鵬飛、何立新課題組提出一種全新的產(chǎn)生超短渦旋脈沖的方法—分子波片（Molecular wave plate）。該方案主要基于矢量光誘導的分子非絕熱排列效應，使分子極化率在空間上呈現(xiàn)特定的各向異性分布，從而形成一個可編程的分子波片。 當圓偏振探測光通過該分子波片時，會發(fā)生空間相位調制，生成具有相反手性和特定拓撲荷數(shù)的渦旋光束（如圖1）。此外理論模擬與實驗結果表明，通過優(yōu)化氣體密度及激光與氣體相互作用長度，渦旋光轉換效率可接近100%（如圖2）。與傳統(tǒng)光學元件相比，分子波片具有超寬帶適應性，能夠有效克服色散和色差問題。同時，由于采用氣相分子介質，其具備高損傷閾值和自修復特性，從根本上避免了固體器件易受損傷的局限。這一突破為產(chǎn)生高強度、超短渦旋脈沖提供了全新的解決途徑。

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圖1.分子波片示意圖

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圖2.理論計算（a）與實驗測量（b）的分子波片的轉化效率

基于分子波片開發(fā)高強度、寬帶、軌道角動量可控的超短渦旋光束將為強場物理、阿秒科學等領域的研究提供有力的工具。比如借助渦旋脈沖產(chǎn)生高次諧波，有望獲得螺旋結構的極紫外（EUV）及軟X射線光束，可用于研究超快自旋-軌道耦合效應以及進行超快磁學成像等。同時，將氣相分子作為可編程空間相位調制介質，也為未來大氣軌道角動量編碼通信、渦旋光探測與追蹤等應用開辟了新的可能。武漢光電國家研究中心博士生徐誠清為該論文第一作者，何立新副教授、徐露教授、蘭鵬飛教授和陸培祥教授為論文通訊作者。廈門大學徐龍副教授，以及魏茨曼科學研究所 Ilya Averbukh 教授和Yehiam Prior 教授在理論方面給予了支持。該研究得到國家重點研發(fā)計劃、基金委創(chuàng)新研究群體以及面上項目的資助。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/j2jj-1jns