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涡旋光场产生方面取得新进展 精选

已有 16731 次阅读 2016-5-14 04:31 |个人分类:成果报道|系统分类:论文交流| 液晶, 涡旋光场


最近,我们在涡旋光场产生方面取得了系列新进展,研究结果相继发表在Physical Review Applied(DOI: 10.1103/PhysRevApplied.5.044009) Phys. Rev. Appl. 2016, 5, 044009.pdfScientific Reports (DOI:10.1038/srep25528)Sci. Rep. 2016, 6, 25528.pdf上。

我们所熟悉的高斯光束是旁轴波动方程的厄米-高斯(Hermite-Gaussian)本征解中的最低阶模式HG00。旁轴波动方程还有另外一组完备的正交本征解,那就是拉盖尔-高斯(Laguerre-Gaussian)模式LG(p,n)pn分别取不同整数来表示不同阶的模式,LG(0,0)对应的就是常见的高斯光束。对于n不为0的高阶拉盖尔-高斯光束,在光束的中心,光强为零,同时该光束的波前呈螺旋状,表征光束能量传输的Poynting矢量也沿着螺旋曲线前行。1986年,Coullet意识到在数学上,这种具有螺旋波前的拉盖尔-高斯光束与流体力学中的涡旋非常相似,并因此将其命名为光涡旋(Opticalvortex)。1992年,荷兰莱顿大学的Allen等人意识到光涡旋携带轨道角动量(OAM),随及引发光学界的广泛关注并促使涡旋光场成为光学前沿之一。OAM赋予了对光的性质进行调控的一个全新自由度,在微操控、OAM模式复用光通讯、量子计算和量子信息,以及天文观测等领域方面都有着广阔的应用前景。

OAM的并行检测与处理,是基于OAM复用的光通讯技术的关键点之一。针对这一问题,我们将达曼叉形光栅的概念引入液晶微结构体系,利用液晶光取向技术,实现了液晶达曼叉形光栅的制备。该元件可将入射的高斯光等能量地转化为目标级次的涡旋光,不同级次携带不同OAM(包括整数阶、高阶LG模和分数阶等)。这样,高衍射级次的效率大为提升,显著强化了OAM并行检测的能力。由于液晶的电光特性和元件的独特设计,使其具有动态开关、多波长适用、对入射偏振无依赖等特性。相关成果发表于Generation of Equal-Energy Orbital Angular Momentum Beamsvia Photopatterned Liquid Crystals, Phys.Rev. Applied, 5, 044009 (2016)。论文第一作者是南京大学14级直博生陈鹏,胡伟副教授和陆延青教授为共同通讯作者。


1.液晶达曼叉形光栅、meta-q-plate及其产生的涡旋光场

兼顾光束质量、转化效率、制作成本、设计灵活性一直是涡旋光场产生所追求的目标。2006年,Lorenzo等人开发的q-plate提供了一种高效转换的新途径。该q-plate波片是光轴在空间极坐标系内周期渐变的半波片,其中拓扑荷q反映了光轴随着方位角变化的快慢。当圆偏振高斯光入射该波片时,出射光偏振完全翻转并携带2qћOAMq-plate实现了光子自旋角动量(SAM)和OAM的耦合,在量子光学领域发挥了重要的作用。但传统q-plate只能调控LG模式中的拓扑荷数,产生单一m值的整数阶涡旋光场。为了进一步释放光场设计的灵活性,我们在q-plate的基础上提出了meta-q-plate的概念,使得q及初始光轴指向在空间极坐标内可任意变化。我们开发了实现液晶指向矢连续控制的独特工艺,进而实现了多种液晶meta-q-plate的设计制备,并产生了椭圆形、非对称形、多环和旋风状多种复杂的涡旋光场。该技术能够实现对光波前点对点的控制,这大大增强了对光场进行调控的灵活性,在光束整形领域具有重要意义。相关成果发表于Meta-q-plate for complex beam shaping, Sci. Rep., 6, 25528 (2016)。南京大学13级硕士生季玮与台湾中山大学李俊宏博士为论文的共同第一作者,胡伟副教授、林宗贤教授(台湾中山大学)和陆延青教授为共同通讯作者,南京大学张利剑教授、香港科技大学Chigrinov教授参与指导了本项研究。

2.四岁小朋友Hannie一眼看出了meta-q-plate与涡旋光场的关联

有趣的是,在文章数据整理过程中,当时年仅四岁的Hannie小朋友对meta-q-plate表现出了强烈的兴趣,并一眼看出这是棒棒糖与大风车之间的关系,精确地"把握"住了meta-q-plate以其独特的空间指向矢分布调控波前,进而使光子携带轨道角动量的本质。本系列研究得到了国家自然科学基金、教育部博士点基金及高等学校基本科研业务费的支持。




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