测控技术与通信工程学院导 读
近日，我校测通学院朱智涵（省量子调控重点实验室、仪器科学与技术学科、光学工程学科）与中国科学技术大学史保森联合团队在光场非线性调控物理研究方面取得重要进展：揭示非线性光参量相互作用中的“反常轨道轨道角动量守恒”现象——即由无涡旋光场驱动的光参量过程可产生携带净轨道角动量光场并依然保持系统角动量守恒——为非线性光场调控研究提供全新的理论指导。相关成果以“Observation of Anomalous Orbital Angular Momentum Transfer in Parametric Nonlinearity”为题发表于Physical Review Letters。
研究背景
自Franken等人在六十多年前首次揭示光学非线性效应以来，光参量相互作用就被广泛研究并作为非线性光场调控的核心手段，在新型激光技术以及量子信息与量子光学研究中扮演重要角色。“参量”一词是指非线性介质中的非线性极化场处于“虚能级”，其量子态在“反应”前后保持不变、不与参量光场发生净能、动量交换。因此，光参量相互作用系统中的光场能量、动量应保持守恒，这一基础对称性进一步限定了参与相互作用光场间的纵模结构与轨道角动量（OAM）相位匹配条件。其中OAM态守恒在光场空间、时空结构的非线性调控中扮演决定性作用。目前已知的三波混频过程中，参量产生光场的OAM态都是由驱动光场决定。例如（见图1左）：两个携带 OAM的光子可通过参量上转换合并为一个携带 OAM的光子；反之亦然，一个携带 OAM的光子通过参量下转换分裂为两个携带 OAM光子。这一简介、直观的变换规律自Allen等光子OAM先驱的奠基性工作（Phys. Rev. A 54, R3742 1996）发表以来，从未受到过意外结果的挑战并已成为基础范式深入人心。如能突破该理论范式的束缚（如图1右），则能在物理层拓展当下研究思路与途径。
图1 三波混频参量过程中的OAM守恒示意图，左图为OAM守恒规律的经典范式，而右图为新揭示的反常守恒规律（系统OAM仍保持守恒）
研究亮点
最近，测通学院朱智涵、中科大史保森联合团队围绕前沿课题“高维矢量频率接口的物理实现”中取得关键技术突破（Optica 2022, 9(2): 187-196）。在此基础上，进一步提出可实现高阶高斯模态变换与几何相位非线性操控的“像散频率接口”技术（见图2）。该前瞻性技术的提出与论证，一方面，赋能光学频率接口操控空间模态间信息交互的能力，拓展出全新的光子态操控概念；另一方面，在基础物理层为OAM守恒定律带来了新的疑问：为何两束不携带净OAM的光束却能够通过参量相互作用产生一束携带净OAM的新光束？
图2 （a）真零级结构高斯模态变换原理及（b）OAM频谱在变换中的演化规律，（c）像散频率接口原理示意图
针对上述疑问，研究团队利用前期开发的完备理论工具（Phys. Rev. A 2020, 101(6): 063805）对所有参与“像散参量相互作用”的光场进行OAM定量分析，并利用空间复振幅全维度投影层析术对“像散超高斯”泵浦光束在“反应”前后的OAM密度矩阵做精确测量。最终成功锁定遗失的OAM去向——残余泵浦的空间波函数由于发生旋转对称破缺，刚好携带了与参量产生的上转换光束等值反向OAM，从而保持了系统角动量守恒（见图3）。这一结论拓展了人们对相互作用电磁场间OAM守恒的认知，为非线性光场调控、特别是高维量子态参量制备的研究提供全新的思路。
图3 抽空域参量转换前后“像散超高斯”泵浦光束的空间复振幅以及OAM频谱特征
该研究工作于2023年4月14日以“Observation of Anomalous Orbital Angular Momentum Transfer in Parametric Nonlinearity”为题发表在Physical Review Letters上（DOI：10.1103/PhysRevLett.130.153803）。我校测通学院省量子调控重点实验室为该重要成果的第一完成单位，仪器科学与技术学科2020级博士研究生吴海俊（原物理系14级本科生及18级硕士研究生）为论文第一作者，朱智涵与史保森教授为共同通信作者。研究工作得到了国家自然科学基金数理学部与信息学部以及量子信息科学国家实验室的资助。