CN108254943A - 一种可产生光轨道角动量叠加态的相位板 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可产生光轨道角动量叠加态的相位板，包括核心相位调制结构(1)和封装材料(2)。所述核心相位调制结构的厚度l随方位角变化，满足其中l0为基座厚度，ls为阶跃厚度，α为一可变角度。该核心相位调制结构可对光场相位进行调制。所述封装材料加装在核心相位调制结构外对其进行保护。在所述相位板工作时，携带单一轨道角动量态的激光垂直入射到相位板中，随后光束通过核心相位调制结构，其相位将受到调制并转变为携带轨道角动量叠加态的光。

Description

一种可产生光轨道角动量叠加态的相位板
技术领域
本发明涉及光轨道角动量叠加态的产生技术，尤其涉及一种可产生光轨道角动量叠加态的相位板。
背景技术
1992年，人们发现光子除了可以携带自旋角动量(SAM)外还能携带轨道角动量(OAM)。光的轨道角动量对应于光的螺旋相位波前，该波前通过来描述，其中是方位角，是拓扑荷，不同的拓扑荷值表示不同的OAM本征模式。经过近三十年的发展，光的OAM因其独特的性质在诸多领域内得到了重要应用。例如：在光通信中，OAM由于具有无穷多个相互正交的本征模式被用于OAM复用技术，极大的增加了通信容量；在量子信息中，人们利用光的SAM和OAM产生高维纠缠和杂化纠缠态，实现高维量子信息编码；在单一光束中有机地结合SAM和OAM则被用于形成矢量光束，矢量光束在激光加工和光学成像等方面有着独特的优势；此外，在光操控中，人们利用携带OAM的光能够将角动量传递给囚禁于光束中心的微粒或细胞使其旋转来制造光学马达。
基于光的OAM具有上述诸多重要应用，OAM光束的产生技术一直备受关注。目前OAM光束一般使用螺旋相位板(S.Oemrawsingh,et al.,Appl.Optics,2004,43,688–694.)、Q-plate(L.Marrucci,et al.,Phys.Rev.Lett.,2006,96(16):163905.)、空间光调制器产生的全息图(G.Gibson,et al.Opt.express,2004，12(22),5448-5456)、特殊设计的超表面(Fuyong Yue,et al.Adv.Mater.,2017，29,1603838)以及集成的角动量光栅(Q.Xiao,etal.Opt.Express,2016，24(4),3168-3176)等来产生，然而这些器件都存在各自的局限性。比如：螺旋相位板和Q-plate一般只能产生携带单一OAM模式的光；空间光调制器虽然能够产生OAM叠加态的光，但其体积较大，无法用于制造集成于微纳芯片上的集成器件；而超表面和集成的角动量光栅则一般只能产生少量OAM模式叠加态的光，随着OAM模式数量的增加，其结构设计将变得及其复杂。可见目前用于产生OAM光束的器件中尚缺乏可同时满足结构简单、便于集成且能够产生大量OAM模式叠加等条件的器件。因而开发一种能够同时满足这些条件的OAM光束产生器件将弥补现有技术的不足，具有十分重要的意义。
发明内容
基于光的OAM具有诸多重要应用，以及现有的OAM光束产生技术存在上述局限性，本发明提供一种可产生光轨道角动量叠加态的相位板(以下简称相位板)。该相位板可产生大量OAM模式叠加的光束，并且结构十分简单，由核心相位调制结构和封装材料组成，便于集成。所述核心相位调制结构的厚度满足其中为基座厚度，为阶跃厚度，为方位角，α为一可变角度。该核心相位调制结构可对光场相位进行调制。所述封装材料加装在核心相位调制结构外对其进行保护。在所述相位板工作时，携带单一轨道角动量态的激光垂直入射到相位板中，随后光束通过核心相位调制结构，其相位将受到调制并转变为携带轨道角动量叠加态的光。
相比于已有的OAM产生器件，本发明的优点在于：结构简单、便于集成且能够产生大量OAM模式的叠加态。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的装置示意图，其中右上侧虚线框内为核心相位调制结构的放大示意图。
图2是本发明实施例提供的OAM叠加态中各个OAM模式的光的相对强度。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明公布的可产生光轨道角动量叠加态的相位板(以下简称相位板)的示意图参见图1，所述相位板包括核心相位调制结构(1)和封装材料(2)。所述核心相位调制结构的厚度满足其中为基座厚度，为阶跃厚度，为方位角，α为一可变角度。该核心相位调制结构对光场相位进行调制。所述封装材料加装在核心相位调制结构外对其进行保护。在所述相位板工作时，激光垂直入射到相位板，随后经过相位板获得相位延迟：
其中k0＝2π/λ是光的真空波矢，n0是制备核心相位调制结构(1)的材料的折射率。于是，对于任意OAM态的入射光|ψ＞＝|m＞(|m＞表示轨道角动量算符的本征态，即Lz|m＞＝m|m＞)，本发明实施例的相位板可以用一个量子算符来描述
此处需要注意，在公式(1)当中，方位角的取值范围是如果将方位角的范围扩展到不难发现所述产生器将使得方程(1)变成以T＝2π为周期的周期函数。于是可以将公式(2)做傅里叶级数展开，可得
其中
为展开系数。于是从相位板出射的光中拓扑荷值为m+n的OAM模式的光相对于入射光的相对光强为：
P(n)＝|＜m+nψ′＞|2＝|F(n)2， (5)
其中
为出射光子态。
在本实施例中选取n0l0＝2λ,n0ls＝20λ,α＝π，根据公式(5)计算出射光中各个OAM模式的光的相对光强，得到的结果如图2所示。该结果明确显示，初始拓扑荷值为m的入射光在穿越相位板后变成了OAM叠加态光。该OAM叠加态光具有梳状的OAM模式结构，并均匀的以拓扑值1为模式间距。此外，该OAM梳的强度谱存在一个平坦区间，该区间的拓扑荷的取值范围为-17<n<17(图2中两个箭头所标示出的区间)。处在平坦区间内的OAM模式的强度变化小于4dB，而处在平坦区间外的OAM模式的强度则会迅速衰减。因此本发明明确无误地提出了一种可产生光轨道角动量叠加态的相位板。该相位板结构简单，可产生大量OAM模式的叠加态(本实施例提供的相位板产生的叠加态中包含的OAM模式数量为35)。此外，ls＝20λ/n0约为10um量级，因而本发明可以方便地集成到微小芯片上制备集成器件。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (4)

1.一种可产生光轨道角动量叠加态的相位板，包括核心相位调制结构(1)和封装材料(2)。
2.如权利要求1所述的可产生光轨道角动量叠加态的相位板，其特征在于，核心相位调制结构(1)的厚度l随方位角变化，满足其中l0为基座厚度，ls为阶跃厚度，α为一可变角度。
3.如权利要求1所述的可产生光轨道角动量叠加态的相位板，其特征在于，核心相位调制结构(1)对光场相位进行调制。
4.如权利要求1所述的可产生光轨道角动量叠加态的相位板，其特征在于，封装材料(2)加装在核心相位调制结构(1)外对其进行保护。
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