基于介质超表面的轨道角动量光束产生与调控研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所) | 被引量 : 0次 | 上传用户:zxw123321
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自1992年Allen等人揭示了具有螺旋相位因子eilθ的光束携带有轨道角动量(OAM)这一性质后,关于光学OAM的相关研究获得飞速发展。光的角动量(AM)包括OAM和自旋角动量(SAM)两个部分。其中SAM对应光的圆偏振态,仅可取±?两个值。而OAM对应光的螺旋相位波前,其值为l?,l可以为任意的整数,因此有无穷个取值。由于OAM光束的独特性质,其在高容量光通信,微粒操控,显微成像和高维量子纠缠等领域展现出了重要的应用价值。传统的分离光学元件如螺旋相位板,空间光调制器以及光栅等在产生和调控OAM光束时,具有系统庞大,结构复杂和难以集成化等缺点。近些年依托于微纳加工技术的进步,平面结构形式的光学超表面获得了空前的发展。光学超表面是一种二维的人工微结构阵列,能在亚波长尺度内灵活地调控光的各种属性,为OAM光束产生与调控系统的小型化与集成化提供了重要解决方案。本论文主要基于介质超表面,展开了OAM光束产生及调控相关研究。研究内容及相关成果如下:一、理论分析了紧聚焦轨道角动量光束的性质,并设计超表面实现了紧聚焦轨道角动量光束的产生。利用矢量衍射理论推导了不同偏振OAM光束的紧聚焦特性,获得了直角坐标系下各电场分量的解析表达式。然后研究矩形纳米柱各参数对偏振转化效率的影响,通过仿真优化选择合适的参数构建超表面,当圆偏振光入射时可以产生紧聚焦OAM光束。另外,分析圆纳米柱半径对相位延迟的影响。筛选合适的圆纳米柱,使它们具有较高的透过率且相位能够覆盖0~2π。基于这些结构实现了偏振无关的紧聚焦OAM光束的产生。二、利用多参量调控产生轨道角动量光束。理论分析了圆柱形纳米柱法布里-珀罗(FP)共振腔效应与矩形纳米柱几何相位之间的相互作用,提出了一种新的振幅相位同时控制纳米结构,偏振转化效率超过90%。利用该结构设计超表面,产生了不同振幅的轨道角动量光束。另外,研究了双波长波前独立控制原理,利用动力学相位和几何相位对色散的差异,建立了双波长波前独立控制模型。基于该模型构建超表面,当不同波长入射时出射光的OAM不同。三、设计了一种能实现自旋到轨道非对称转化的超表面。根据矩形纳米柱的双折射特性,利用矩阵传输法推导了自旋光子波前独立控制所满足的约束条件。若纳米柱满足半波片特性,当左、右圆偏振光入射时,它们将获得一个相同的动力学相位和相反的几何相位。根据该原理设计超表面,先后通过仿真和实验证实了非对称的自旋到轨道转化。四、提出了一种能实现高效率光学角动量复用与解复用的超表面。利用光子自旋霍尔效应和离轴技术分别实现SAM和OAM的复用与解复用。通过介质超表面将这两种方法结合在一起,实现全角动量的复用与解复。并以10个角动量信道复用情况为例进行分析,所有信道的解复用效率均超过8%,且信道之间的最大串扰为-12.8 d B。最后,对设计的超表面在整个O波段的性能进行了评估,并给出了它与波分复用系统级联的方案。
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