微激光发射分数轨道角动量的超快控制

来源：两江科技评论

01导读

带分数轨道角动量的结构光片上集成激光器(FOAM)在光通信和量子信息处理技术前沿发展领域有迫切需求。近日，美国宾西法尼亚大学电子与系统工程系 Liang Feng教授团队研究了基于控制脉冲诱导的整数激光涡旋快速瞬态混合的半导体涡旋微激光器对分数轨道角动量的快速控制。虽然集成的涡旋光束发生器已经在不同的光学环境中演示过，但适用于高速光通信和计算的具有低功率控制的分数轨道角动量光的超快控制和扫描仍然具有挑战性。在100ps的时间窗内，电荷0和电荷+2之间出现了连续的分数轨道角动量扫描，最终的速度极限由增益介质中的载流子复合时间确定。该研究结果提供了一个新的途径来产生涡旋微激光器携带分数轨道角动量，可以通过一个超快控制脉冲在GHz频率切换。相关成果以“Ultrafast control of fractional orbital angular momentum of microlaser emissions”为题于2020年10月21日在国际光学顶尖期刊《Light: Science & Applications》上发表。

02研究背景

光的矢量特性使其能够完全控制空间相变场的拓扑特征，揭示出除了众所周知的线性动量之外，还携带轨道角动量(OAM)和自旋角动量(SAM)的涡旋光束。由于光学涡旋的迷人特性，OAM光束在粒子引导和捕获、光通信、量子计算、全息和高精度成像以及新型的光物质与拓扑材料的相互作用等领域得到了广泛的应用。直到最近，带有分数轨道角动量的光束(FOAM)才因为其不同寻常的特性和潜在的应用而引起了广泛的关注。FOAM束显示出微妙的拓扑特征，其传播表现出超限数的一些不寻常的数学特性。

携带分数轨道角动量的光束的产生类似于同时产生至少两束不同振幅的共传播OAM光束，要依靠精心排列的桌面光学设置，包括一个非整数螺旋相位板，几何相位设计的J板，超表面，或空间光调制器。通过精细地调整两个不同的OAM分量之间的权重，可以得到所需的分数轨道角动量。例如，一种可重构的分步轨道角动量发射器最近已经被证明是基于“超光栅”，通过可控孔径改变照明区域。然而，在光通信和计算应用中，分数轨道角动量的高速控制和快速可重构性是一个挑战，因为现有的方法要么是静态的，要么是机械缓慢的。基于非共振非线性的超快控制提供了一种可行的途径;但是，这种方法对控制功率要求较高，开关效率较低。

03创新研究

本文通过利用半导体涡旋微激光器中光增益的瞬态载流子动力学，克服了这些限制，演示了在皮秒时间尺度上分步轨道角动量光的产生和快速全光控制。利用最近研制的可调谐涡旋微激光平台和可控激光脉冲，对反向传播纵向模的自旋轨道相互作用进行时空调制，产生了瞬态分数轨道角动量光。这种方法能够选择性地激发和重新配置不同的涡旋OAM分量的权重，从而在100ps内实现在电荷0和电荷+2之间精确、连续的分数轨道角动量扫描的可调谐矢量束。图1 分数轨道角动量(FOAM)的超快控制通过可调谐涡旋微激光。一个InGaAsP微激光器嵌入在硅氮化硅衬底中，并与外部控制臂耦合，两者都由超快脉冲泵浦，实现了所需的自旋轨道相互作用。通过控制脉冲和泵浦脉冲之间的时间延迟，激光发射的分数轨道角动量可以以皮秒分辨率进行时间调制。插图显示了空间变化的电场分布，显示了分数轨道角动量发射的矢量性质。图2 （a）超快控制分数轨道角动量激光发射的实验实现与表征。实验装置的原理图，其中两个飞秒脉冲(即泵浦和控制)被投射到涡旋微激光器使用两个显微镜物镜(MOs)，并被激发的激光发射成像到一个CCD相机。插图显示了可调谐涡旋微激光器的扫描电子显微图像，其中角光栅在内壁形成图案，以产生分数OAM发射。（b）从涡旋微激光器的分数轨道角动量发射光谱，显示单模激光在1494.6nm。（c）测量并拟合了激光发射的时间演化，在载子寿命为263.15±1.41ps的应用InGaAsP多量子阱中显示了超快增益动力学。图3 分数轨道角动量激光发射的时间控制。（a）测量激光发射的手性作为泵浦和控制脉冲之间的时间延迟的函数。（b）测量了激光发射的分数轨道角动量电荷，它可以在0.18 ~ 1.57之间在~ 100ps的时间尺度上连续调谐。（c）测量的激光发射的分数轨道角动量电荷过滤掉交叉自旋分量后，可以在相同的时间尺度上在1.68和2之间连续调谐。（d）与b中标记的5个点对应的不同时延的分数阶轨道角动量激光发射的OAM光谱。（e）与c中标记的5个点对应的不同时延的分数阶轨道角动量激光发射的OAM光谱。图4 不滤除交叉自旋分量的分数轨道角动量激光发射的时间演化。（a）模拟了泵浦脉冲与控制脉冲之间5种不同时延下椭圆极化分轨角动量的相位分布规律。（b）测量了分数轨道角动量涡旋场在五种时延下的偏心自干扰。（c）分数轨道角动量场的测量强度图。图5 滤除交叉自旋分量的分数轨道角动量激光发射的时间演化。（a）模拟了泵浦脉冲与控制脉冲之间5种不同时延下右旋圆极化分轨角动量的相位分布规律。（b）测量了分数轨道角动量涡旋场在五种时延下的偏心自干扰。（c）分数轨道角动量场的测量强度图。