携带轨道角动量的聚焦光束阵列
【暨南大学曹耀宇、李向平研究员团队】

 

光子和经典力学宏观粒子一样,都可以携带能量、动量和角动量。光子的角动量又分为自旋角动量(spin angular momentum,简称SAM)和轨道角动量(orbital angular momentum,简称OAM):自旋角动量是光子的内禀属性,每个光子携带的自旋角动量为±ℏ,表现为偏振光学的左旋或者右旋圆偏振光;轨道角动量是指光在传播过程中,每一个平行的截面上具有exp(i)的螺旋形相位分布,对应的每个光子携带的轨道角动量为l代表轨道角动量光束的拓扑荷,在理论上可以取值为任意整数,因此每一个光子理论上可以携带无穷种轨道角动量。因此,轨道角动量光束被普遍应用于光通信、超分辨、纳米操控、激光加工和光存储等领域。

目前,轨道角动量光束已经可以通过多种方式产生,例如:通过螺旋相位片法、涡旋波片法、全息叉形光栅法、空间光调制器等相位调制方法。然而,以上产生OAM光束的方法多用于产生单一OAM光束,无法满足人们对于多焦点大面积阵列型光场的需求。

南大学光子技术研究院的曹耀宇研究员和李向平研究员带领的纳米光子及器件课题组,设计了一种可以产生大面积阵列型OAM光束的照明器件。该器件的相位分布由两部分组成:充当聚焦透镜作用的相位分布和提供OAM的螺旋相位分布。根据分数Talbot效应,计算了相位板上的离散化相位分布,并通过迂回相位编码方式,将多层位相分布转化为具有y方向位移正比于相位分布的矩形分布。利用时域有限差分算法对周期性正方形和六边形结构的光学器件的聚焦特性进行了数值模拟,模拟结果和理论解析推导结果完全一致。结果表明,照明平面上的每一个聚焦光斑呈现一致的光强和相位分布,具有高度的一致性。将周期结构的排列方式由方形改为六角形Talbot阵列,涡旋相位分布的聚焦光斑的强度分布对称性也随之改变,六角形Talbot阵列形成的光斑具有更高的对称性。该光学器件具有制作、拼接、复制、集成方便的明显优点,可有效支撑高质量的大面积阵列式OAM光束的产生,在光捕获、光操纵、光制造等领域有着广泛的应用前景。

图1 (a) 迂回相位编码正方形Talbot阵列照明器的像素基元结构(其中d(m,n) 为0相位中心位置偏移量,O1O2分别对应基元中心和0相位中心) 和(b) 位置偏移;迂回相位编码Talbot阵列照明器的 (c) 单周期和(d)5×5周期阵列结构;(e) = +1的阵列型电场强度分布

图2 (a) 迂回相位编码六边形Talbot阵列照明器的像素基元结构;(b) 迂回相位编码的六边形Talbot阵列照明器的单周期结构;
(c) = +1的阵列型电场强度分布

研究团队简介

暨南大学光子技术研究院纳米光子及器件课题组由李向平研究员和曹耀宇研究员于2015年依托广东省光纤传感与通信技术重点实验室组建,于2017年获得广东省珠江人才“海外英才创新团队”项目(面向大数据的绿色光子存储关键技术)支持。团队研究成员包含教师11名(其中研究员2名,副研究员6名),博士后3名,研究生30余名。团队长期致力于激光微纳加工及光存储、超分辨光学、超材料和等离激元等方向的研究,累计在Science, Nature Communications, Light: Science & Applications, Nano Letters, Nano Energy, ACS Nano,Advanced Functional Materials等国内外权威期刊上发表高质量论文60余篇,主持国家级、省部级科研项目20余项。目前,实验室配备了一流的超快激光成像、加工和表征设备及微纳电子束加工设备,建立了世界先进的纳米微加工超净实验室。此外,课题组还与国外纳米光子学领域的杰出科学家一直保持良好的合作关系。

相关论文

聂芳松, 姜美玲, 张明偲, 等. 基于迂回相位的轨道角动量Talbot阵列照明器[J]. 光电工程, 2020, 47(6): 200093.

DOI:10.12086/oee.2020.200093