橫向軌道角動量在振幅擾動場中的表現

核心概念

即使是總橫向軌道角動量為零的高斯脈衝，也可以透過適當放置的振幅擾動來產生淨橫向軌道角動量。

摘要

論文資訊

標題：橫向軌道角動量在振幅擾動場中的表現
作者：S. W. Hancock, N. Tripathi, M. S. Le, A. Goffin, and H. M. Milchberg
期刊：Physical Review Letters

研究背景

電磁場攜帶軌道角動量（OAM）的研究已經持續了三十多年。其中最常見的是軌道角動量向量平行/反平行於傳播方向的場，例如具有方位相位依賴性 𝑒𝑒𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖（對於整數 |𝑚𝑚| > 1）的拉蓋爾-高斯和貝索-高斯光束。這些縱向軌道角動量光束已在光學囚禁、超分辨率顯微鏡、高次諧波產生、空氣波導的產生、等離子體波導和激光尾場加速等領域得到廣泛應用。新興的應用包括自由空間通信、量子密鑰分配、螺旋等離子體尾流以及在強激光-等離子體相互作用中產生大磁場。

研究內容

本文研究了純振幅調製對光脈衝橫向軌道角動量（tOAM）的影響。研究結果與作者先前的tOAM理論一致，並補充了他們最近關於純相位擾動的結果。重要的是，他們發現決定tOAM變化的關鍵因素是脈衝中tOAM密度的時空分佈。這意味著即使是總tOAM為零的高斯脈衝，也可以透過適當放置的振幅擾動來產生淨tOAM。實驗結果也得到了數值模擬的驗證。

研究方法

研究人員使用了一個直徑為 50 微米的鎢絲作為靜止障礙物，並將其放置在光束腰部。入射脈衝是高斯脈衝或 𝑙𝑙=1 的 STOV 脈衝。脈衝從 4𝑓𝑓 脈衝整形器中射出，在空氣中傳播並與鎢絲相互作用，然後透過 TG-SSSI 進行測量。然後分析恢復的時空場，使用公式計算 ൻ𝐿𝐿𝑦𝑦ൿ 和 Δൻ𝐿𝐿𝑦𝑦ൿ。

研究結果

研究結果表明，純振幅擾動可以改變光脈衝的橫向軌道角動量，前提是初始脈衝包含非零的tOAM密度。每個光子的tOAM變化（正或負）取決於擾動相對於tOAM密度分佈在脈衝中的作用位置。

研究結論

這項研究表明，即使是總tOAM為零但tOAM密度非零的脈衝（例如會聚或發散的高斯光束），也可以透過適當放置的振幅擾動在其上產生淨tOAM。

統計資料

鎢絲直徑：50 微米
STOV 脈衝拓撲荷值：𝑙𝑙=1
高斯脈衝時空不對稱比：𝛼𝛼= 29μm/159μm ~0.18
STOV 脈衝時空不對稱比：𝛼𝛼= 39μm/84μm = 0.46

引述

"This has the consequence that even Gaussian pulses with zero total tOAM can have net tOAM induced by a stationary amplitude perturbation."
"We have experimentally and theoretically demonstrated that a pure amplitude perturbation to an optical pulse can change its transverse OAM (tOAM) per photon, provided that the initial pulse contains nonzero tOAM density."

從以下內容提煉的關鍵洞見

Transverse orbital angular momentum of amplitude-perturbed fields

by S. W. Hancoc... 於 arxiv.org 11-12-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.07209.pdf

深入探究

這項研究成果對於光通信和光學計算等領域有什麼潛在的應用？

這項研究成果揭示了利用純粹的振幅調製來操控光脈衝橫向軌道角動量 (tOAM) 的可能性，這為光通信和光學計算等領域帶來了潛在的應用價值：

光通信: 在光通信中，可以利用tOAM的不同狀態來編碼和傳輸信息，實現多路复用，從而提高信息容量。這項研究表明，可以利用簡單的振幅調製（例如空間光調製器）來改變光脈衝的tOAM狀態，從而實現對信息的編碼和調製。這相較於傳統的基於相位調製的方法， potentially offers a simpler and more efficient approach to encoding information in light beams.
光學計算: 在光學計算中，可以利用tOAM的不同狀態來表示不同的邏輯狀態，並通過操控tOAM狀態來實現邏輯運算。這項研究為實現基於tOAM的光學邏輯門和光學計算機提供了新的思路。例如，可以利用振幅調製來控制兩個tOAM光束之間的相互作用，從而實現邏輯運算。

如果使用其他類型的擾動（例如相位擾動），結果會如何變化？

如果使用相位擾動，同樣可以改變光脈衝的tOAM。事實上，相位擾動是產生和操控tOAM的常用方法，例如利用空間光調製器或 q-plates。
與振幅擾動相比，相位擾動對tOAM的影響更加直接。這是因為tOAM與光波的相位結構密切相關。一個典型的例子是 STOV (spatiotemporal optical vortex)，其tOAM來源於其時空相位結構。
需要注意的是，無論是振幅擾動還是相位擾動，對tOAM的影響都與擾動的具體形式和光束的初始tOAM密度分佈有關。

如何將這種對光脈衝tOAM的操控應用於量子信息處理領域？

將光脈衝tOAM的操控應用於量子信息處理是一個很有前景的方向。以下是一些可能的應用：

量子信息編碼: tOAM具有無限維度的特性，可以為量子信息編碼提供更大的Hilbert空間，從而增加信息容量。可以利用振幅或相位調製來製備具有特定tOAM狀態的單光子，並將其用於量子信息編碼。
量子邏輯門: 可以利用tOAM的不同狀態來表示量子比特，並通過操控tOAM狀態來實現量子邏輯門操作。例如，可以利用交叉Kerr非線性效應來實現兩個tOAM量子比特之間的受控相位門。
高維量子糾纏: 可以利用tOAM的無限維度特性來構建高維量子糾纏態，這對於提高量子通信和量子計算的效率至關重要。
總之，對光脈衝tOAM的操控為量子信息處理提供了新的可能性，有望在未來量子科技發展中發揮重要作用。