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2024

携带轨道角动量的电光频率梳

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光学频率梳由一系列等间距、分立的频率梳线构成，代表光波的频率自由度；涡旋光束携带轨道角动量，具备螺旋相位分布，代表光波的空间和相位自由度。不同的频率梳线和涡旋模态分别在频率域和空间域中相互正交，因此，将光学频率梳与涡旋光束相结合，理论上便可构建具备无限维度的频率空间和涡旋模态空间。二者的结合有望推动基础科学研究，同时在光通信、光学精密测量、光学微纳加工等诸多领域具有潜在应用价值。

目前，产生携带轨道角动量光频梳的方案主要有两种途径。

其一是利用空间光相位调制器对基于锁模激光器产生的频梳源进行空间相位调制，受限于波长对空间光相位调制器的影响，基于这一方法产生的涡旋光频梳无法保证每根梳齿涡旋信息的纯度。
另一种方案基于具备三阶非线性的集成光子学平台，利用连续光泵浦带有角光栅结构的高品质因子光学微腔，产生面外辐射的涡旋孤子光梳，在探索多维度复杂时空光场联合调控的同时极大地缩小了器件的尺寸，但该方案中的孤子梳局限于特定的重复频率，且受限于面外辐射及波导微腔耦合效率，能量利用率相对较低。

近日，清华大学李杨副教授课题组及合作者提出了一种携带轨道角动量电光频率梳的产生方案。利用铌酸锂相位调制器对涡旋光束进行调制，产生兼具高纯度、高转换效率以及可调重频的涡旋电光频梳。基于涡旋光束的旋转多普勒效应，以及电光频梳高阶边带调制范围大的特性，该课题组首次实现了针对非合作目标的高精度距离、转速同步测量。

该成果发表在 ACS Photonics，题为携带轨道角动量的电光频率梳。本工作的完成单位为清华大学精密仪器系以及西北工业大学物理科学与技术学院。清华大学精密仪器系博士研究生何金泽和博士后研究员贾星宇为论文的共同第一作者，通讯作者为清华大学精密仪器系李杨副教授、西北工业大学物理科学与技术学院魏冰妍副教授、清华大学精密仪器系吴冠豪副教授。

设计思路和工作原理

该团队产生携带轨道角动量电光频梳的方案如图1（a）所示，处于线偏振态的涡旋光束经过铌酸锂相位调制器，涡旋光束在级联非线性和频差频过程中满足轨道角动量守恒，因而输出电光频梳的边带均携带与泵浦一致的涡旋信息，如图1（b）。实验中产生的电光频梳的光谱及相位信息如图1（c-d）所示，验证了光梳的涡旋特性。

涡旋电光频梳干涉条纹特性

在实验中，该研究团队探究了调制深度及干涉不等臂长度对涡旋电光频梳干涉条纹的影响。由于不同阶梳齿之间波长差引入的色散，不同阶梳齿对应的干涉条纹之间存在一定的相位差，因而整体的条纹信息可以视为多个矢量条纹信息的叠加，如图2（a），当正负一阶梳齿与泵浦所对应的干涉相位差大于π/2且强度矢量和等于泵浦条纹时，整体干涉条纹将消失，如图2（b），当正负一阶梳齿与泵浦所对应的干涉相位差大于π/2且强度矢量和大于泵浦条纹时，整体干涉条纹将发生翻转。

非合作目标距离转速同步测量

由于传统涡旋光频梳的重复频率调节能力较差，其潜在的距离测量方法局限于从时域测量信号中解算出相位信息，进而得到距离信息，在面对实时抖动的非合作目标时，巨大的随机时变相位噪声将限制距离信息的精确解算。如图3（a）所示，该研究团队产生的电光频梳具有重频大范围可调节的特性，且调频范围随着梳齿阶数的增加而增大，这一特性可以提高基于调频连续波测距法的分辨率和精度。此外，涡旋光束具备与波长无关的旋转多普勒效应，因此，该研究团队产生的电光频梳可以实现针对非合作目标的高精度距离、转速同步测量。

为了提高采集数据的信噪比并将非合作目标的距离信息和转速信息分离开来，研究团队在实验中采用两个光电探测器对经待测粗糙物体散射的杂散光时域信号进行同步测量（图3b中，图3c中），对时域信号其进行傅里叶变换分析，便可以直接解算出待测物体的转速信息（图3b右），以及连续调频电光频梳不同阶梳齿对应的拍波频谱信息（图3c右）。

结果显示，对于非合作目标的转速测量误差小于0.44%。利用高阶梳齿对应的拍波频谱信息解算出的待测物体距离信息显示，对于平均距离3.076 m，在1.5s的测量时间内150次测量对应的标准差为2.3 mm，如图4（a-b）所示。图4（c）展示在测量距离为17.1664 m、平均测量时间3.87 s时，可获得的阿伦方差为570.12μm。图4（d）展示在连续改变待测物体距离时得到的测量残差可以降低到152.52μm，上述结果展示了基于涡旋电光频梳进行非合作目标距离测量的稳定性和精度。

总结与展望

该研究团队提出了一种携带轨道角动量电光频率梳的产生方案，该涡旋电光频率梳具有高纯度、高转换效率以及重频可调的优势。基于涡旋电光频率梳，课题组首次实现了针对非合作目标的高精度距离、转速同步测量。未来该工作可以转移到集成光子学平台，利用集成光波导调制器更高的调制效率和更大的调制带宽，制备光谱范围更宽、重频调制范围更大的涡旋电光频率梳光源。同时，该物理过程也可拓展到任意矢量光场电光频率梳的产生。