杨元杰课题组研究成果入选美国物理学会《物理》亮点成果-电子科技大学本科招生网

杨元杰课题组研究成果入选美国物理学会《物理》亮点成果

    近日,物理类权威期刊Physical Review Applied刊登了我校物理学院杨元杰研究员课题组的最新研究成果“Manipulation of Orbital-Angular-Momentum Spectrum Using Pinhole Plates”(利用多孔屏调控轨道角动量谱)。杨元杰为论文第一作者和通讯作者,电子科技大学为第一署名单位,该论文还同时入选了“Featured in Physics”(物理亮点)和“Editors' Suggestion”(编辑推荐)。

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    具有轨道角动量(OAM)的涡旋光束因为在光通信、量子通信及光学微操纵等领域具有重要的应用前景而备受关注。但是产生这样的光束不是一件容易的事情,通常需要用螺旋相位板或全息光栅等很难加工的光学器件。产生携带多个OAM模式的复合的涡旋光束,通常需要用多个涡旋光束进行叠加,更非易事。杨元杰课题组提出了一种可以采用非常容易制作的由小孔组成的衍射屏来产生这类光束。“编辑推荐”栏目对该工作的推荐词为:“作者们提出了一种采用结构化的针孔屏来操控OAM谱的方法,该方法既可产生宽带也可以产生窄带的OAM谱。特别是,一个非常简单针孔屏可以产生一个有趣的离散的、等间距的OAM模式——OAM梳,类似于光频梳。这种方法除了光子学外,可能同样应用于产生射频、声波、电子和中子的复合涡旋。(The authors propose a technique for control of the OAM spectrum using structured pinhole plates, which can generate both wide and narrow OAM spectra. In particular, a rather simple pinhole plate can produce an interesting series of discrete, equally spaced OAM modes: an OAM comb, akin to a frequency comb. This approach could be extended beyond photonics to work with rf, acoustic, electron, or neutron composite vortices.)”

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光频梳指的是一些离散的、相等频率间隔的像梳子一样的形状的频率谱。光频梳就像一把“光尺”,使人类能够对光学频率实现极其精密的测量,为天文物理、量子操控等科学领域提供了理想研究工具。开展光频梳开创性工作的两位科学家J. L.Hall和T. W. Hansch于2005年获得了诺贝尔奖。杨元杰受光频梳的启发,提出了采用中学物理就学过的杨氏双孔干涉即可产生类似于光频梳的轨道角动量梳(OAM comb)的思想,如下图所示。

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    美国物理学会《物理》亮点栏目的Ryan F. Mandelbaum以“根据所需来旋转光束(Twisting Light Beams on Demand)”为标题,以“一个有可能应用于数据传输和精密测量的采用针孔屏产生具有丰富结构的光束新方法(A simple new technique uses pinholes on a plate to generate rich structured light beams that might find use in data transmission and precision measurement.)”为副标题撰写了专题报道,对杨元杰等人的研究成果进行了详细阐述。Mandelbaum在文章中高度评价该工作的意义和价值,文章表示:“来自电子科技大学的杨元杰和合作者提出了一个简单的、新的方法来产生单模和多模OAM态,通过让平面波经过具有特定图案的针孔屏衍射。携带定制的OAM谱的光束可以应用于很多领域,包括数据传输、精密测量和纳米粒子操控等。(Yuanjie Yang from the University of Electronic Science and Technology of China and colleagues devised a simple, new way to produce both single OAM modes and multimode combinations by passing a plane wave of light through a plate with a calculated pattern of pinholes. Endowing beams with a custom spectrum of OAM modes could be useful for various structured-light applications, including data transmission, precision measurement, and manipulating nanoparticles.)”

  在评价杨元杰等人提出的OAM comb工作的创新点和意义的时候,Mandelbaum用了“惊奇的”来描述,“惊奇的是,研究者们还证实了怎样通过简单的两个小孔来产生OAM梳,像一个光频梳一样,一个具有等间距的模式的谱。特别是根据入射光不同,两个小孔即可产生全是偶数的OAM模式也可以产生全是奇数的OAM模式。OAM梳最终应该能够像个尺子一样被用来测量携带OAM模式的任意光束。(Surprisingly, the researchers also demonstrated how using just two pinholes could generate an OAM comb, which—like an optical frequency comb-is a spectrum of equally spaced modes. Specifically, a pinhole pair produced a series of OAM modes with only even or only odd numbers of helices, depending on the input light. The OAM comb’s spectrum could eventually be used as a kind of ruler for measuring the OAM modes contained in an arbitrary light beam.)”

  《物理》亮点是美国物理学会专门报道其旗下包括Physical Review Letters在内的所有期刊中最重要成果的栏目,其入选标准是“发表在物理评论系列期刊上的最有趣和最重要的论文(the most interesting and important papers that we publish in the Physical Review journals)”。Physical Review Applied是美国物理学会旗下重要期刊之一(为中科院分区物理类一区),其官方主页显示,自创刊以来,该期刊共发表文章2490余篇,被《物理》亮点入选的仅54篇,其中来自中国的研究成果仅4篇。除了我校杨元杰教授团队这篇外,还有浙江大学(2018年)、香港科技大学(2017年)和中科院深圳高等研究院(2014年)三个成果入选。我校这篇论文是该期刊光学与光子学领域中国作者入选的唯一一篇。

  杨元杰研究员为物理学院光场调控团队负责人,近年来一直从事涡旋与光子轨道角动量方面的研究工作,发现了旋转对称结构中的轨道角动量选模原理和部分相干光束的交叉相关函数奇点公式等有趣的物理现象和规律,并率先提出了轨道角动量梳的概念和产生方法,在Science、Physical Review Letters、Physical Review Applied、Nanophotonics等国际权威期刊上发表学术论文40余篇,在国际学术会议上做邀请报告11次。

  物理学院表示,该研究成果入选美国物理学会《物理》亮点,显示了我校在光子轨道角动量方面的学术影响力。物理学院将继续大力发展基础研究,鼓励和培育更多具有国际影响的原创性科研成果,助力中国特色世界一流大学建设。