光学和光子学

扭曲的光通过“自扭矩”获得角动量

字号+ 作者:admin 来源:小丑鱼-分享科普知识 2019-12-10 15:48

西班牙和美国的物理学家已经证明,可以使光的轨道角动量或扭曲度随时间快速变化。研究人员通过从时间上偏移很小的两个强红外激光脉冲产生高频谐波,证明了他们所谓的自转矩。他们认为具有这种特性的光将来可能会提供一种理想的工具来处理分子和其他纳米级结构。 自旋角动量是光的一种常见特

  西班牙和美国的物理学家已经证明,可以使光的轨道角动量或扭曲度随时间快速变化。研究人员通过从时间上偏移很小的两个强红外激光脉冲产生高频谐波,证明了他们所谓的“自转矩”。他们认为具有这种特性的光将来可能会提供一种理想的工具来处理分子和其他纳米级结构。

  自旋角动量是光的一种常见特性,表现为光的偏振。但是自1992年以来,人们就知道光具有一种独特的特性,即轨道角动量(OAM)。这导致光束的波前绕其传播轴扭曲,从而使光呈现螺旋形,其核心强度为零。光束原则上可以具有任何程度的扭曲,其扭曲越大,意味着波前旋转得越快。

扭曲的光通过“自扭矩”获得角动量

  物理学家正在使用OAM来开发一系列新技术。可以通过发送具有多个OAM值的向下光来增加光缆中的数据通道数量,就像可以通过更大的频率带宽来增强它一样。带有OAM的光束还可以提高显微镜的分辨率,并可以用于操纵微观物体,例如纳米粒子,量子点甚至活细胞。

  时间扭曲

  但是,到目前为止,所有光束都具有恒定的扭曲。在最新的工作中,萨拉曼卡大学和巴塞罗那光子科学研究所(ICFO)的科学家与科罗拉多州JILA的同事合作表明,可以改变时间的扭曲-加快或减慢旋转速度。波前–通过高频谐波产生光脉冲。“自转矩”会产生这种动量变化。

  “借助机械系统,您需要外力,”萨拉曼卡团队负责人卡洛斯·埃尔南德斯·加尔西亚说。“但是在这些光束中,我们没有外力就能产生扭矩。”

  可以通过向气体中发射强烈的红外激光脉冲来产生高频谐波。它使气体电离,自由电子在被激光的强电场加速后刺激气体中的紫外线发射。发射产生的谐波范围很广,导致光的频率比激光脉冲高数百倍甚至数千倍。

  拓扑电荷

  草拟谐波产生的新模型后,萨拉曼卡的Hernández-García,Laura Rego及其同事意识到应该可以使用这种技术产生自转矩。他们认为,所需要的是两个具有不同OAM量(或其拓扑电荷l的值不同)的红外脉冲,它们之间的间隔很短。他们认为,通过叠加这些脉冲并使它们通过气体,所产生的谐波的l值应随时间变化。

  该方案基于这样一个事实,即带有OAM的脉冲的高频谐波将具有比脉冲本身更高的l值(假设更高的频率会迫使波前更快地扭曲)。例如,由于l = 1和l = 2脉冲的第17次谐波将分别具有l值17和34,因此当l = 1脉冲与a合并时,该谐波的l值将从17到34逐步变化。拖尾(并因此部分重叠)l = 2脉冲。

  “随着两个脉冲之间的比率随时间变化,”Hernández-García解释说,“随动量守恒,谐波的OAM值也会随时间变化”。

  然后,JILA 的Kevin Dorney及其同事在实验室中实现了这些想法,他们将重叠的l = 1和l = 2红外脉冲(分别只有大约50 fs长)聚焦在氩气射流上。鉴于没有可用的技术可以解决飞秒时间范围内OAM的变化,因此最大的实验挑战之一是如何观察自转矩的影响。为此,他们寻找并发现了萨拉曼卡小组所预测的紫外线激光脉冲的空间分布中的一个明显迹象,即整个甜甜圈状分布中频率或“ chi”的连续变化。

  优秀的协议

  “与我们的理论预测非常吻合,这使我们可以说光束是用自扭矩产生的,”埃尔南德斯-加西亚说。

  关于如何实际应用这项工作,Hernández-García不愿多说,只是说这可能有益于“要求超快速记录信息”的应用程序。但是多尼(Dorney)更具体,这表明该研究可能会加强对“纳米级手性分子”的研究,或者增进对用于制造智能手机和硬盘的材料内部发生的过程的了解。

  俄勒冈大学的本·麦克莫伦(Ben McMorran)称赞研究人员“精通光学的几种先进技术”,并认为他们的工作有助于“控制和探测材料中电子的运动和方向”。但是他质疑“自转矩”一词,认为激光脉冲本身不会产生转矩而是传递转矩。他说:“将这些脉冲视为不是电动机,而是驱动轴。”

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