近日，山西大学激光光谱研究所元晋鹏教授和汪丽蓉教授课题组在实验上首次利用非线性频率转换实现了时空光学摩天轮光束的跨频段传输。研究团队结合光学频率梳与光学涡旋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。通过铷原子介质的四波混频过程，成功实现了时空光学摩天轮光束从近红外波段到蓝紫波段的传输。实验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 %。相关研究成果以“Trans-spectral transfer of spatio-temporal optical Ferris wheel with nonlinear wave mixing”为题于2024年10月31日在线发表在《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）。山西大学激光光谱研究所博士后王三丹为论文的第一作者，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，在短波长范围内实现高效操控面临巨大挑战。为了克服这些限制，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技术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。
研究团队通过铷原子的四波混频过程实现了时空光学摩天轮光束的跨频段传输，成功将光束的空间和时间特性从近红外波段转换到蓝紫波段。理论上构建了基于光学频率梳和光学涡旋产生时空光学摩天轮光束的模型，模拟了通过铷原子非线性频率转换过程的时空光学摩天轮光束的传输，验证了时空光学摩天轮光束的空间特性和时间特性从776 nm 近红外波段到420 nm蓝紫波段的有效转移。
图2 利用四波混频过程产生的蓝紫波段时空光学摩天轮光束的理论模拟结果；(a)Δl = 4，6，8，12和18时，光束的空间强度和相位分布；(b)Δl = 4和6时，光束方位角剖面的时间演化。
实验上，将分别具有左旋圆偏振和右旋圆偏振的光学涡旋叠加至光学频率梳，获得光学涡旋梳；将具有相反拓扑荷(l1 = |l2|)和偏频差(Δf)的光学涡旋梳进行脉冲-脉冲干涉叠加，获得同时具有空间和时间特性的近红外时空光学摩天轮光束，其空间特性表现为具有点对称分布的多瓣亮斑强度分布，亮斑数由Δl = |l1 - l2|决定；时间特性表现为光束的周期性旋转，旋转时间由T = Δl/Δf 决定。利用780 nm泵浦高斯光束与776 nm探测时空光学摩天轮光束同时与铷原子相互作用，激发5S1/2 - 5P3/2- 5D5/2双光子跃迁。在四波混频过程中，产生的420 nm信号光的强度分布展现出与776 nm探测光相同的点对称多瓣亮斑和匹配的光束尺寸。该结果表明，时空光学摩天轮光束的空间特性有效的从入射探测光转移至出射信号光上。
图3 (a)和(b)分别为拓扑荷l1 = 1, 2, 3, 5, 7, 9和l2 = -1, -2, -3, -5, -7, -9时，实验获得的涡旋梳光束的强度剖面；(c)和(d)分别为拓扑荷差Δl = 2, 4, 6, 10, 14, 18时，输入776 nm和输出420 nm时空光学摩天轮光束的强度分布。
四波混频过程中时空光学摩天轮光束的时间特性转移通过探测光和信号光在不同Δl和Δf情况下的周期性旋转表征。当Δl = 6且Δf = 2 Hz时，探测光和信号光都展示出六瓣空间强度分布，并且随时间呈现顺时针同步旋转，旋转周期均为T = 3 s，光束最大强度的方位角ϕmax = ϕ0 + vt随时间的增加而增大，探测光的旋转速度为vp = 2.09 rad/s，信号光的旋转速度为vs = 2.07 rad/s。此外，时空光学摩天轮光束的时间特性转移可以通过探测光和信号光的旋转方向表征，当Δf 为正值时，探测光和信号光随时间沿顺时针方向同步旋转；当Δf 为负值时，探测光和信号光随时间沿逆时针方向同步旋转。当Δl = 6且Δf = -2 Hz时，探测光的旋转速度为vp = -2.08 rad/s，信号光的旋转速度为vs = -2.11 rad/s。这些结果表明，时空光学摩天轮光束的时空特性实现了从输入探测光到输出信号光的有效转移。
图4 当Δl = 6，Δf = 2 Hz和-2 Hz时，时空光学摩天轮光束的时间特性转移；(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。
进一步，时空光学摩天轮光束的时间特性转移通过测量不同Δl和Δf情况下的探测光和信号光的旋转速度来定量表征。当Δf为负值时，探测光的旋转速度vp小于零；当Δf为正值时，探测光的旋转速度vp大于零；且当Δf保持不变时，vp的绝对值随Δl的增大而减小，实验结果与理论拟合吻合良好。此外，在不同Δl和Δf情况下420 nm信号光束的旋转速度vs的变化趋势与776 nm探测光束保持良好的一致性，且时间特性转换精度~98 %。
综上所述，我们在铷原子介质中基于四波混频效应实现了时空光学摩天轮光束的跨频段传输，将时空光学摩天轮光束的时间特性和空间特性成功地从近红外波段(776 nm)转移至蓝紫波段(420 nm)。光束空间特性的转移通过入射光束和出射光束相同的多瓣强度分布表征；时间特性转移通过光束完全同步地旋转速度和旋转方向表征。不同波段的时空光学摩天轮光束的传输在光学显微镜和成像、光学捕获和操控以及医学和生物学等研究领域具有重大的发展潜力。
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。
