近年來，軌道角動量（OAM）光束已被應(yīng)用于光通信領(lǐng)域。光通信中，以提高信道容量和頻譜效率。然而，在實際應(yīng)用中，OAM信息往往印在短波長光束上。如何將這些信息完全傳輸?shù)絆波段以實現(xiàn)長距離傳輸，大多數(shù)傳統(tǒng)方法都無法輕松實現(xiàn)。

圖1 實驗示意圖

與OAM有關(guān)的獨(dú)特特性使渦旋光成為一個需要全面研究的課題，它在微操作、超分辨率成像、經(jīng)典和量子機(jī)密通信等方面有多種應(yīng)用。在這些研究中，非線性相互作用中的OAM 交換尤其引人關(guān)注。通過非線性光學(xué)晶體中的頻率上變頻和下變頻、原子蒸汽中的四波混合以及氣體介質(zhì)中高次諧波的頻率轉(zhuǎn)換，可以產(chǎn)生攜帶新波長的OAM光束。

此外，通過對攜帶OAM的光束進(jìn)行非線性頻率轉(zhuǎn)換，可以拓寬現(xiàn)有光源的波長范圍。氣體的高階諧波可用于產(chǎn)生攜帶OAM的光束。紫外波段可以產(chǎn)生攜帶OAM的連續(xù)可調(diào)中紅外和遠(yuǎn)紅外光束。利用自發(fā)參量下變頻和四波混合（信號光）過程，可以實現(xiàn)雙光子OAM量子糾纏在量子信息領(lǐng)域的重要應(yīng)用。

圖2 實驗光路圖顯示了加載在slm上產(chǎn)生渦旋的螺旋相位剖面

在實驗中，通信波段的渦旋光是由周期性極化的鈮酸鋰晶體中攜帶OAM的輸入光和高斯泵浦光的不同頻率過程產(chǎn)生的。在光束攜帶OAM的非線性轉(zhuǎn)換過程中，不僅要滿足傳輸方向上的動量守恒，還要滿足OAM 的守恒。只有在沒有相位失配的情況下，非線性匹配過程中的OAM守恒關(guān)系才能成立。

圖 3 渦旋光場傳播過程中的光強(qiáng)分布和相位分布場

實驗結(jié)果表明，在非線性轉(zhuǎn)換過程中，晶體的倒轉(zhuǎn)晶格矢量補(bǔ)償了三波的相位失配，從而使泵浦光和輸入光連續(xù)轉(zhuǎn)換成輸出光。

審核編輯：劉清