来自自由电子激光器的庞加莱光束

《Nature Photonics》：Poincaré beams from a free electron laser

极紫外Poincaré光束通过FEL双脉冲相位和极化调控实现，无需光学元件。实验在16.7nm波长下完成，两束正交圆偏振光相位差精确控制，成功映射Poincaré球全空间极化分布，验证理论预言。该方法为极化矢量光束制备提供新范式，可拓展至其他矢量光束及更短波长应用。

　　

摘要

庞加莱光束是一种具有空间非均匀偏振结构的光束，这种结构仅覆盖庞加莱球面的有限区域。这一特性赋予了光束有趣的拓扑特性，并推动了对其基本特性、可控生成方法以及新兴应用的研究热潮。本文展示了在费米自由电子激光器（FERMI FEL）上利用极紫外光（16.7纳米）产生的庞加莱光束的实验结果。这种“星形”庞加莱光束的生成并未依赖任何光学元件，而是充分利用了FEL辐射本身的相位和强度特性。我们通过精确控制两个FEL脉冲之间的重叠和功率平衡来实现偏振分布的调控，这两个脉冲具有不同的横向相位分布和正交的圆偏振特性。实验详细绘制了光束的空间偏振结构，结果显示其覆盖了庞加莱球面的大部分区域，与理论预测结果一致。这种在FEL中原位生成庞加莱光束的方法能够灵活地调整偏振状态的方向和平衡，并且可以轻松扩展到其他矢量光束和更短的波长范围，从而为现代光源开辟新的科学应用前景。