华中科大在超短涡旋脉冲产生领域获新进展

近日，《物理评论快报》（Physical Review Letters）以“Molecular wave plate for the control of ultrashort pulses carrying orbital angular momentum”为题，在线发表了武汉光电国家研究中心陆培祥教授领导的“强场超快光学”创新研究群体在超短涡旋脉冲产生与调控方面的最新研究成果。

超短涡旋激光脉冲因其具有螺旋波前结构和轨道角动量，在原子分子光物理、量子信息处理、高容量通信和超快成像等领域具有广泛应用前景。然而，传统的涡旋光产生手段（如螺旋相位板、液晶空间光调制器等）受限于带宽、色散和易损伤等问题，难以满足高强度、超短脉宽涡旋脉冲产生的需求。

针对这一问题，兰鹏飞、何立新课题组提出一种全新的产生超短涡旋脉冲的方法—分子波片（Molecular wave plate）。该方案主要基于矢量光诱导的分子非绝热排列效应，使分子极化率在空间上呈现特定的各向异性分布，从而形成一个可编程的分子波片。 当圆偏振探测光通过该分子波片时，会发生空间相位调制，生成具有相反手性和特定拓扑荷数的涡旋光束（如图1）。此外理论模拟与实验结果表明，通过优化气体密度及激光与气体相互作用长度，涡旋光转换效率可接近100%（如图2）。与传统光学元件相比，分子波片具有超宽带适应性，能够有效克服色散和色差问题。同时，由于采用气相分子介质，其具备高损伤阈值和自修复特性，从根本上避免了固体器件易受损伤的局限。这一突破为产生高强度、超短涡旋脉冲提供了全新的解决途径。

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图1.分子波片示意图

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图2.理论计算（a）与实验测量（b）的分子波片的转化效率

基于分子波片开发高强度、宽带、轨道角动量可控的超短涡旋光束将为强场物理、阿秒科学等领域的研究提供有力的工具。比如借助涡旋脉冲产生高次谐波，有望获得螺旋结构的极紫外（EUV）及软X射线光束，可用于研究超快自旋-轨道耦合效应以及进行超快磁学成像等。同时，将气相分子作为可编程空间相位调制介质，也为未来大气轨道角动量编码通信、涡旋光探测与追踪等应用开辟了新的可能。武汉光电国家研究中心博士生徐诚清为该论文第一作者，何立新副教授、徐露教授、兰鹏飞教授和陆培祥教授为论文通讯作者。厦门大学徐龙副教授，以及魏茨曼科学研究所 Ilya Averbukh 教授和Yehiam Prior 教授在理论方面给予了支持。该研究得到国家重点研发计划、基金委创新研究群体以及面上项目的资助。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/j2jj-1jns