基于携带轨道角动量频率梳产生自扭矩光束的方法及装置

本发明涉及时空光场调控，特别是涉及基于携带轨道角动量频率梳产生自扭矩光束的方法及装置。

背景技术：

1、光子作为信息和能量的重要载体之一，人们已经实现了对光的振幅、相位、偏振、频率、角动量和脉宽等多个自由度的按需调控。在这些自由度中，光的频率和轨道角动量是两个独立具有无限维度的物理量自由度，理论上均可实现携带无限维信息，是高维光信息处理的重要资源。在光学频率自由度，光学频率梳已经被广泛应用于传感、光谱学和原子分子物理等领域，为测量和光谱学带来革命性的进步，在光钟、时间标准和气体传感器等方面具有重要作用，逐步成为物理精密测量的基石；在角动量自由度，光学轨道角动量在光学微操纵、超分辨显微、激光加工和光通信等领域有着巨大的潜在应用价值。在目前的研究与应用中，产生光学频率梳和轨道角动量两个自由度相关的光电子器件均是分离的，这极大地限制了对光子在频率和轨道角动量自由度上的开发和利用。

2、近年来时空光场调控引起广泛关注，成为前沿和热点的研究领域之一。时空光场的独特性质使得对其进行深入研究具有重要的科学意义和应用价值，尤其是在微纳尺度下进行光电子器件对光场调控的开发和应用是集成光学的发展方向。随着半导体技术的进步，多种重要的光功能器件已经可以在半导体芯片上实现。集成光学芯片正朝着更小尺寸、更高集成度和更低加工成本的方向发展，特别是基于微环谐振腔已经实现了轨道角动量模式和微腔光频梳频率自由度的单独调控。但是，在同一微环谐振腔中实现轨道角动量和微腔克尔光频梳两个维度结合，并产生时空复杂光场，还面临着巨大的挑战。

3、现有技术中有提出了产生具有时变轨道角动量的极紫外光源方案，通过将两束各自具有不同拓扑荷的红外飞秒脉冲共线聚焦到气体靶上，实现具有时空自扭矩特性的轨道角动量高次谐波光束，不同的高次谐波频率携带不同阶数的轨道角动量模式。然而，产生轨道角动量和频率的结合均是分离的元器件中产生，需要脉冲激光产生高次谐波，实验装置和调控方式复杂且稳定性差，可适用的波段有局限性，不易拓展。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是如何在同一元器件中实现轨道角动量和频率的结合，并产生时空复杂光场。为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于携带轨道角动量频率梳产生自扭矩光束的方法及装置。

2、第一方面，本发明实施例提供了一种基于携带轨道角动量频率梳产生自扭矩光束的方法，包括：

3、将连续激光入射至耦合波导，以使所述耦合波导将满足谐振频率的光耦合到内壁嵌入角向光栅的微环谐振腔；

4、按照第一预设尺寸对所述角向光栅进行设计，以使耦合到所述微环谐振腔的光经四波混频产生携带轨道角动量的频率梳；

5、从所述微环谐振腔的上方出射所述频率梳形成的弧子脉冲；

6、将所述弧子脉冲入射至色散调制器，以使所述色散调制器对所述弧子脉冲进行时空调制形成自扭矩脉冲光束；所述色散调制器包括沿光路依次设置的第一分光元件、第一光学准直元件和相位调控元件。

7、优选地，所述相位调控元件为反射式器件或透射式器件，用于利用频谱相位对弧子脉冲进行相位调控；所述频谱相位采用如下公式表示：

8、φ(ω)＝τ0|ω|+gdd·ω2

9、其中，φ(ω)表示频谱相位，τ0表示线性相位系数，ω表示光学频率域坐标，gdd表示群延时色散系数。

10、优选地，所述微环谐振腔设置在所述耦合波导一侧，并与所述耦合波导保持预设间距。

11、优选地，所述以使所述耦合波导将满足谐振频率的光耦合到内壁嵌入角向光栅的微环谐振腔，包括：

12、按照第二预设尺寸对所述耦合波导进行设计，以使所述耦合波导将满足谐振频率的光耦合到所述微环谐振腔。

13、优选地，所述第二预设尺寸包括耦合波导的预设厚度和预设宽度；所述预设厚度和所述预设宽度均在300nm～500nm之间。

14、优选地，所述按照第一预设尺寸对所述角向光栅进行设计，以使耦合到所述微环谐振腔的光经四波混频产生携带轨道角动量的频率梳，包括：

15、按照第一预设尺寸对所述角向光栅进行设计，以使所述微环谐振腔获取高于阈值的品质因子；

16、基于所述品质因子以使所述微环谐振腔产生四波混频非线性效应；

17、基于所述四波混频非线性效应以使耦合到所述微环谐振腔的光产生携带轨道角动量的频率梳。

18、优选地，所述第一预设尺寸为角向光栅的预设尺寸。

19、优选地，所述将所述弧子脉冲入射至色散调制器，以使所述色散调制器对所述弧子脉冲进行时空调制形成自扭矩脉冲光束，包括：

20、将所述弧子脉冲经准直和滤波后入射至第一分光元件；

21、对所述第一分光元件、第一光学准直元件和相位调控元件的间距进行调整，以对所述弧子脉冲进行相位调控并重构为准直的出射波包；

22、所述出射波包在所述色散调制器后预设位置处，经自由空间传播演化为自扭矩时空脉冲波包。

23、优选地，所述对所述第一分光元件、第一光学准直元件和相位调控元件的间距进行调整，以对所述弧子脉冲进行相位调控并重构为准直的出射波包，包括：

24、将所述第一分光元件、第一光学准直元件和相位调控元件的间距调整为所述第一光学准直元件的焦距；

25、若所述相位调控元件为反射式器件，则所述弧子脉冲经所述相位调控元件相位调控后将按原路返回所述第一分光元件，并重构为准直的出射波包；

26、若所述相位调控元件为透射式器件，则所述弧子脉冲经所述相位调控元件相位调控后，经过与所述第一分光元件和所述第一光学准直元件镜像对称设置的第二光学准直元件和第二分光元件，并重构为准直的出射波包。

27、第二方面，本发明实施例提供了一种基于携带轨道角动量频率梳产生自扭矩光束的装置，包括：

28、沿光路依次设置的激光发射器、耦合波导、微环谐振腔和色散调制器；

29、所述激光发射器，用于将连续激光入射至所述耦合波导；

30、所述耦合波导，用于将满足谐振频率的光耦合到内壁嵌入角向光栅的所述微环谐振腔；

31、所述微环谐振腔，用于将耦合到所述微环谐振腔的光经四波混频产生携带轨道角动量的频率梳，并向上出射所述频率梳形成的弧子脉冲；

32、所述色散调制器，用于对入射至所述色散调制器的所述弧子脉冲进行时空调制形成自扭矩脉冲光束。

33、本发明实施例一种基于携带轨道角动量频率梳产生自扭矩光束的方法及装置与现有技术相比，其有益效果在于：基于半导体工艺制备的微环谐振腔能够实现光子的频率和空间轨道角动量模式两个自由度的同时产生，其制备工艺与现有半导体微纳加工工艺相兼容，且元件体积小、稳定性好，存在损耗低和品质因子高的特点。同时，产生的携带轨道角动量的频率梳可经过实验室搭建的色散调制器实现自扭矩光束的产生，是一种微纳尺度下光场调控的新手段。

技术特征：

1.一种基于携带轨道角动量频率梳产生自扭矩光束的方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的产生自扭矩光束的方法，其特征在于，所述相位调控元件为反射式器件或透射式器件，用于利用频谱相位对弧子脉冲进行相位调控；所述频谱相位采用如下公式表示：

3.根据权利要求1所述的产生自扭矩光束的方法，其特征在于，所述微环谐振腔设置在所述耦合波导一侧，并与所述耦合波导保持预设间距。

4.根据权利要求1所述的产生自扭矩光束的方法，其特征在于，所述以使所述耦合波导将满足谐振频率的光耦合到内壁嵌入角向光栅的微环谐振腔，包括：

5.根据权利要求4所述的产生自扭矩光束的方法，其特征在于，所述第二预设尺寸包括耦合波导的预设厚度和预设宽度；所述预设厚度和所述预设宽度均在300nm～500nm之间。

6.根据权利要求1所述的产生自扭矩光束的方法，其特征在于，所述按照第一预设尺寸对所述角向光栅进行设计，以使耦合到所述微环谐振腔的光经四波混频产生携带轨道角动量的频率梳，包括：

7.根据权利要求1所述的产生自扭矩光束的方法，其特征在于，所述第一预设尺寸为角向光栅的预设尺寸。

8.根据权利要求2所述的产生自扭矩光束的方法，其特征在于，所述将所述弧子脉冲入射至色散调制器，以使所述色散调制器对所述弧子脉冲进行时空调制形成自扭矩脉冲光束，包括：

9.根据权利要求8所述的产生自扭矩光束的方法，其特征在于，所述对所述第一分光元件、第一光学准直元件和相位调控元件的间距进行调整，以对所述弧子脉冲进行相位调控并重构为准直的出射波包，包括：

10.一种基于携带轨道角动量频率梳产生自扭矩光束的装置，其特征在于，包括：

技术总结
本发明公开了一种基于携带轨道角动量频率梳产生自扭矩光束的方法及装置，该方法包括：将连续激光入射至耦合波导，以使耦合波导将满足谐振频率的光耦合到内壁嵌入角向光栅的微环谐振腔；按照第一预设尺寸对角向光栅进行设计，以使耦合到微环谐振腔的光经四波混频产生携带轨道角动量的频率梳；从微环谐振腔的上方出射频率梳形成的弧子脉冲；将弧子脉冲入射至色散调制器，以使色散调制器对弧子脉冲进行时空调制形成自扭矩脉冲光束。本发明基于半导体工艺制备的微环谐振腔能够实现光子的频率和空间轨道角动量模式两个自由度的同时产生。而且，产生的携带轨道角动量的频率梳可经过色散调制器实现自扭矩光束的产生，是一种微纳尺度下光场调控的新手段。

技术研发人员：陈波,刘进,曹前,詹其文,王雪华
受保护的技术使用者：中山大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17