[发明专利]一种相对功率变化小于1dB的光轨道角动量叠加态产生器

说明书

本发明提供的是一种相对功率变化小于1dB的光轨道角动量叠加态产生器。其特征是：它由柱状偶极子阵列1和2、二氧化硅基底3组成。所述的光轨道角动量叠加态产生器可对入射平面光进行调制，使其变成轨道角动量叠加态光。该叠加态光的轨道角动量谱存在一个平坦区间，平坦区间内的轨道角动量模式数量可高达数十阶且各模式间的相对功率变化小于1dB。另外，通过控制入射光的左旋和右旋两种不同的圆偏振态，所得光轨道角动量叠加态的轨道角动量谱是彼此分离的，因此本发明是光偏振可控的。本发明具有偏振可控、易集成等优点，可用做微型轨道角动量叠加态生成器、集成的轨道角动量调制器件，也可用于芯片集成的轨道角动量多路广播以及基于轨道角动量的光操控等领域。

(一)技术领域

本发明涉及的是一种相对功率变化小于1dB的光轨道角动量叠加态产生器，可用做微型轨道角动量叠加态生成器、集成的轨道角动量调制器件，也可用于芯片集成的轨道角动量多路广播以及基于轨道角动量的光操控等，属于光调控领域。

(二)背景技术

超表面是一种具有亚波长结构的新型二维周期性人工材料，在局部控制光束的振幅、相位和偏振等方面提供了优越的特性，其具有的相位不连续性调控是一种有效的波前控制手段，超表面超薄和易于制作的特性使得超表面平台非常适合器件小型化和系统集成。光子角动量分类为自旋角动量(SAM)和光轨道角动量(OAM)，SAM源于光的圆偏振状态，OAM与光束的螺旋相位结构相关。OAM光(也称涡旋光)具有螺旋相位波前其中是方位角，l是拓扑电荷。近二十多年来，OAM光由于具备独特的物理性质受到科研人员的极大关注。截止目前，OAM光已被广泛地应用于高容量光学通信、光学操控以及量子信息等领域。

由于OAM光的广泛应用，其产生和控制技术十分重要。目前人们常用空间光调制器、Q-plate以及螺旋相位板等来产生OAM光。在OAM光的产生方面，此前的大多数研究集中在如何产生具有单一OAM态的光，而关于产生OAM叠加态光的研究则不多。然而，近年来的研究表明OAM叠加态的光无论在经典物理还是量子科学中都具有重要的应用价值。比如：OAM叠加态是OAM复用通信的关键(Hui X,Zheng S,Chen Y,et al.Scientific Reports,2015,5:10148.)；OAM叠加态光在光操控中更具潜力(Wang F X,Wu J,Chen W,et al.OpticsLetters,2017,43(2):349-352.)；权值相等且拓扑电荷分别为+1和-1的两束OAM光的叠加可形成矢量光束(Aadhi A,Vaity P,Chithrabhanu P,et al.Applied Optics,2016,55(5):1107.)；此外，在波色爱因斯坦凝聚的研究中多OAM模式的叠加态可操控形成原子旋转态的任意叠加态(Shi S,Ding D S,Yu Y C,et al.Physical Review A,2018,97(6):063847.)。因此，OAM叠加态光的有效产生和控制同样十分重要。目前这类光束可通过螺旋相位板(Oemrawsingh S S R,Houwelingen J AW V,et al.Applied Optics,2004,43(3):688-94.)、Q-plate(Marrucci L.Physical Review Letters,2006,96(16):163905.)、特殊设计的超表面(Yue F,Wen D,Zhang C,et al.Advanced Materials,2017,29(15):1603838.)、集成的角动量光栅(Li J B,Liang S,Xiao S,et al.Optics Express,2016,24(3):2360.)、空间光调制器生成的全息图(Gibson G,Courtial J,Vasnetsov M,etal.Optics Express,2004,12(22):5448-5456.)等来产生。然而这些器件都具有各自的局限性。比如：螺旋相位板和Q-plate一般只能产生携带少量OAM模式的光；空间光调制器虽然能够有效产生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；特殊设计的超表面和集成的角动量光栅一般同样的只能产生少量OAM模式叠加态光，随着OAM模式数量的增加，其结构设计将变得极其复杂。专利(中国专利：201810115485.7)和论文(Liu H,Teng C,Yang H,et al.Optics Express,2018,26(11):14792.)中发现，二次幂指相位涡旋光束能够被展开为一系列功率近似相等(功率变化小于3dB)的标准螺旋相位涡旋的叠加态，据此设计了一种产生具有平坦功率谱的OAM叠加态的相位板。该相位板具有结构简单、可集成等优点，并且能够有效产生OAM模式数高达数十阶的角动量叠加态。然而，该相位板不具备可调性，即一旦相位板制备完成，产生的OAM叠加态便被确定。这不符合当前人们对高度灵活可调谐器件的需求。此外，该相位板产生的OAM叠加态的OAM模式间的相对功率变化约为3dB，OAM谱的相对功率波动较大，进一步优化OAM叠加态的OAM谱的平坦性是人们大力追求的目标。因此，提出一种结构简单、可集成，具备可调谐性，且能够产生具有平坦功率谱(OAM模式间的相对功率变化远小于3dB)的OAM叠加态的产生器能够弥补现有技术的不足，具有十分重要的意义。