[发明专利]用于无需对准的自旋和轨道角动量同时检测的超表面器件及检测方法

说明书

本发明公开一种用于无需对准的自旋和轨道角动量同时检测的超表面器件及检测方法，超表面器件自下而上依次包括：衬底；超构原子层，包括周期性排布的超构原子；超表面器件通过几何相位和传输相位协同调控，分别向待检测光束的左旋圆偏振分量和右旋圆偏振分量施加镜像对称的抛物线光栅型相位调控，使得待检测光束经超表面器件调制后的衍射光斑呈现待检测光束的自旋角动量信息和轨道角动量信息，待检测光束的自旋角动量信息和轨道角动量信息不因待检测光束的位置偏移而改变。上述方法采用上述超表面器件进行自旋角动量和轨道角动量的同时检测。本发明实现高阶涡旋光及矢量光的检测，体积小巧、衍射距离短，能量利用率高，易于与探测器集成。

技术领域

本发明属于电磁波相位调控的技术领域，尤其涉及一种用于无需对准的自旋和轨道角动量同时检测的超表面器件及检测方法。

背景技术

从量子光学的角度来看，光子可以携带自旋角动量(SAM)和轨道角动量(OAM)。

其中，SAM对应于左旋圆偏振和右旋圆偏振两个正交偏振态；OAM由光束的螺旋相位波前exp(ilθ)表征，其中整数l为拓扑荷数，θ为方位角。OAM具有无限多个正交态。由于自旋和轨道角动量的本征正交性，每个模式可以作为一个信息通道，可以提供巨大的信息容量，因此SAM和OAM被认为是实现高容量光通信、高维量子信息学的信息载体。对于这些应用，SAM和OAM的准确检测十分重要。

然而，传统的检测方法比如干涉、衍射法，柱透镜、空间光调制器法等虽然可以准确检测出OAM，但是具有光学装置复杂、体积大、衍射距离远等缺点，这无法满足光学系统小型化、集成化的发展需求，且一般难以实现SAM的检测。

随着微纳加工技术的进步，SAM和OAM的同时检测可以在纳米尺度上实现，但是现有方法大多需要入射光束对准器件的图案中心，造成光路调节复杂且容易产生误差。此外，基于超表面的SAM和OAM同时检测器件也面临效率低下、识别复杂等问题，并且部分器件只能检测低阶OAM态。

因此，实现集成、高效和高对准误差容忍度的SAM和OAM同时检测仍然面临挑战。

发明内容

本发明针对现有技术中SAM和OAM同时检测中存在的问题，提出一种用于无需对准的自旋和轨道角动量同时检测的超表面器件及检测方法，通过几何相位和传输相位的协同调控，对左、右旋圆偏振分量施加镜像对称的抛物线光栅型相位调控，使待检测光束通过超表面器件后能够基于模式转换形成一系列沿特定方向排列的衍射条纹，基于衍射条纹和衍射级次能够同时获取SAM和OAM信息并实现同时检测。由于受调制光场全部衍射到+1或-1级次，器件能量利用率高；此外，入射光束的位置偏移不影响衍射光斑的形貌和衍射级次，从而不影响SAM和OAM的识别。

本发明的一方面提供了一种用于无需对准的自旋和轨道角动量同时检测的超表面器件，自下而上依次包括：

衬底；

超构原子层，包括周期性排布的超构原子；

其中，所述超表面器件通过几何相位和传输相位协同调控，分别向待检测光束的左旋圆偏振分量和右旋圆偏振分量施加镜像对称的抛物线光栅型相位调控，使得待检测光束经所述超表面器件调制后的衍射光斑呈现所述待检测光束的自旋角动量信息和轨道角动量信息，并且所述待检测光束的自旋角动量信息和轨道角动量信息不因待检测光束的位置偏移而改变。

根据本发明用于无需对准的自旋和轨道角动量同时检测的超表面器件的一个实施例，通过改变超构原子的旋转角度θ引入几何相位调控通过改变超构原子的结构尺寸引入传输相位调控，其中，

其中，为传输相位，θ为超构原子旋转角度，Φ_L为左旋圆偏振分量的相位调制，Φ_R为右旋圆偏振分量的相位调制。