我所贾锁堂教授、汪丽蓉教授、元晋鹏教授研究团队在时空光学摩天轮的跨频段传输研究方面取得了重要进展。相关研究成果以“Trans-spectral transfer of spatio-temporal optical Ferris wheel with nonlinear wave mixing”为题发表在《Photonics Research》期刊，被遴选为2024年第11期封面文章和Editor's Pick（编辑精选）。王三丹博士后为论文的第一作者，元晋鹏教授和汪丽蓉教授为论文的共同通讯作者，肖连团教授和贾锁堂教授为该工作提供了重要指导。
光场调控是一种通过精准控制光波与物质相互作用来调控光物理特性的技术手段，在光传感和光通信领域具有广阔的应用前景。传统的光场调控研究主要集中在光的频率、振幅、相位和偏振等物理参数。近年来，光场的空间结构作为另一重要物理维度，逐渐引起广泛关注。通过调控光场的空间结构，可以在三维空间中定制光的横向平面，从而生成多种特殊的结构光场。更进一步地，随着空间结构与时间维度的融合，时空结构光场这一具备复杂动态轨迹和时空特性的光场应运而生，为精密测量和量子通信等领域带来了新的技术手段，推动了光学信息处理的革命性进展。
传统的时空结构光场操控依赖于线性光学元件。然而，由于这些元件制造难度大、材料要求高、损伤阈值低且成本高，在短波长范围内(300 nm ~ 470 nm)实现高效操控面临巨大挑战。为克服这些限制，非线性频率转换技术应运而生。该技术利用非线性光学材料，通过光学非线性效应，为构建、检测和操控跨波长光场提供了强有力的工具。碱金属原子作为一种纯净无杂质的非线性介质，具有调谐范围广、损伤阈值高、易饱和等优点，是研究光场调控的理想平台。因此，基于原子系综的非线性频率转换为从可见光到短波长范围内的跨频段时空结构光场操控提供了一种可行的解决方案。
研究团队利用非线性频率转换过程在实验上和理论上实现了时空光学摩天轮光束的高保真传输。通过铷原子钻石型能级系统，成功将时空光学摩天轮光束的空间特性和时间特性从近红外波段转换到蓝紫波段。理论上模拟了时空光学摩天轮光束在铷原子介质中的频率转换过程，获得了420 nm时空光学摩天轮的空间强度和相位分布，同时模拟了该光束的时间演化。在实验上，结合光学频率梳与光学涡旋，通过脉冲-脉冲干涉技术制备了空间结构和时间特性高度可控的时空光学摩天轮光束，将获得的时空光学摩天轮探测光与另一束高斯型泵浦光同时与铷原子作用，通过四波混频过程实现了时空光学摩天轮光束从近红外到蓝紫波段的传输。通过观察输入与输出光束相同的多瓣强度分布，验证了空间特性的转移；同时，通过输入与输出光束旋转速度和方向的同步，证实了时间特性的成功转移，转移精度达到~98 %。
图1(a)非线性波混频实现时空光学摩天轮光束跨频段传输原理示意图；(b)脉冲-脉冲干涉实验装置示意图；(c)时空光学摩天轮光束转移实验装置示意图。
图2时空光学摩天轮光束转移的实验结果图。(a)和(c)分别为776 nm探测光和420 nm信号光随时间的旋转模式；(c)和(d)分别为光束最大强度方位角ϕmax随时间的变化。
该工作得到了2030-“量子通信与量子计算机”重大项目、国家自然科学基金、山西省基础研究计划项目、山西省回国留学人员科研资助项目、山西省2023年度留学人员科技活动项目择优资助、国家资助博士后研究人员计划项目、山西省“1331”工程重点学科建设基金、量子光学与光量子器件国家重点实验室以及省部共建极端光学协同创新中心的支持。
文章链接：https://doi.org/10.1364/PRJ.534857
初审 | 赵书楠
二审 | 张文学
三审 | 汪丽蓉