基于单层光学超表面产生复合涡旋光束的方法研究_明阳.pdf

常熟理工学院学报（自然科学）Journal of Changshu Institute of Technology（Natural Sciences）第 37 卷第 2 期2023 年 3 月Vol.37 No.2Mar.,2023基于单层光学超表面产生复合涡旋光束的方法研究明 阳（常熟理工学院 电子信息工程学院，江苏 常熟 215500）摘要：光学超表面超薄的特性和前所未有的灵活光操纵能力为产生特殊空间光模式提供了一个有效的平台 本文提出并通过实验验证了一个基于光学超表面的方法用于产生和调控具有多个相位奇点的复合涡旋光束（Composite vortex beam，CVB）由于其独特的光学特性，CVB应用前景广阔，可用于多光子阱、量子信息等 此前 CVB 可使用空间光调制器产生，然而其体积大、成本高、分辨率有限 这里设计的平台具有小型化的特征，更具实用性，为 CVB 的应用开辟了一条新途径关键词：光学超表面；复合涡旋光束；相位奇点中图分类号：O441 文献标志码：A 文章编号：1008-2794（2023）02-0018-04收稿日期：2022-09-29基金项目：国家自然科学基金面上项目“基于人工微纳结构材料的光子态不可分离性研究”（12274043）通信作者：明阳，副教授，博士，研究方向：空间光量子态调控，E-mail:光学超表面是一类新兴的功能型人工材料，可以在亚波长尺度上操纵光的相位、幅度和偏振，从而开发出新型光电器件，包括超透镜 1、偏振敏感全息元件 2、涡旋光束发生器 3 和传感器 4 等 超表面的超薄特性使之成为构建小型化和集成化系统的理想选择 同时由于灵活的光操纵能力，特别适宜于光相位奇点调控 对于相位奇点的研究开辟了奇异光学领域，具有相位奇点的光涡旋已被用于从粒子操纵 5 到量子信息 6 的许多方面 近年来，波前奇点分布更为精细的复合涡旋光束（Composite vortex beam，CVB）因其适合于更复杂的应用，如多光子阱 7 和量子计算门 8 而吸引了众多学者的研究兴趣 此前 CVB 的产生可通过空间光调制器（Spatial light modulators，SLM）实现，但 SLM 体积大、成本高、分辨率低 为了跟上设备小型化和系统集成化的发展趋势，本文提出并实验演示了使用单层超表面产生 CVB，设计的方法基于具有不同圆偏振态的多个单涡旋光束叠加 实际选用由金属纳米棒组成的几何相位超表面，通过调控金属纳米棒的取向角空间分布来实现此原理 对几组不同的 CVB 进行了实验演示，并与模拟结果进行了比较，两者之间符合程度良好 得到的结果表明单层超表面是创建和设计光相位奇点空间分布结构的利器图 1 显示了超表面方法生成 CVB 的示意图 超表面由位于玻璃基板上的具有变化空间取向角的金纳米棒阵列组成 图中所示例子为在圆偏振光束的照射下，激发具有不同拓扑荷的 4 个单涡旋光束（相应的相位分布如图1顶部插图所示）叠加生成CVB的情况 并将在透射端获得具有相反圆偏振态的 CVB图 1 使用单层超表面产生 CVB 的方法示意图（其中拓扑荷用 l 标识，LCP/RCP表示左旋/右旋圆偏振态）DOI:10.16101/32-1749/z.2023.02.003第 2 期19实际条件下携带轨道角动量（Orbital angular momentum，OAM）的光涡旋模式最常见为拉盖尔-高斯（LaguerreGaussian，LG）模式 9 具有特定偏振态的多个 LG 模式叠加可表示为 （1）其中 N 是叠加模式的总数，cpl和 pl分别是幅值系数和初始相位，代表圆偏振态 为了便于实验观察多个涡旋光束的叠加，这里使用了离轴设计型超表面，该设计可以避免未转换部分入射光的干扰 所有金纳米棒都具有相同的尺寸（215 nm125 nm40 nm），但取向角(x,y)随空间位置变化，表示为 （2）其中 为相邻像素之间的相位差本文主要关注 LG 径向模式系数 p=0 的情况，此情况相对简单清晰但充分保留了完整的原理展示超表面样品使用标准电子束光刻和剥离工艺制造每个晶胞的尺寸为 300 nm300 nm，样品尺寸为 348 m348 m，设置为/5在实验中，超连续谱激光器（NKT Photonics SuperK EXTREME）用作光源来表征超表面器件的性能，工作波长选为 630 nm,plNiplplsupplLGc eLG=()11(,)2argexpj jNjjjjjp lx yc LGi l=|=|+jj首先研究具有相同圆偏振态的 LG 模式的叠加 第一类，3 个 LG 光涡旋的叠加 为了确保效果，参与叠加的 LG 模式的拓扑荷之间差异应该足够大 图 2 为 LG2+LG5+LG11所构建的 CVB 结果 生成的 CVB 模式呈现双层摩天轮形状，内层和外层具有多个暗点对应相位奇点，其数量分别等于|l2l1|和|l3l2|模拟与实验结果分列上下两行，可见两者符合良好 共考虑了四种情况，第一种情况(a1)对应最基本的条件，即 cl1=cl2=cl3=1 和l1=l2=l3=0 进一步考虑通过调整初始相位和幅值系数来操控 CVB 当初始相位为 l2=/3 时，形图 2 具有相同圆偏振态的 3 个 LG 模式叠加生成 CVB（上排和下排分列模拟和实验结果，a1a4 展示了初始相位和幅值系数对 CVB 图案的影响）图 3 具有相同圆偏振态的 4 个 LG 模式叠加生成 CVB左、中、右列分别显示（a）LG2+LG5+LG11+LG23和（b）LG1+LG5+LG20+LG-20相位分布（相位奇点位于虚线圆上）、模拟和实验强度分布成典型的中间状态，如图 2 的第二种情况(a2)所示 摩天轮内外层的旋转角度分别为/18（逆时针）和/9（顺时针），3 个外层暗点与内层暗点合并形成更大的暗点 当幅值系数 cl1、cl2、cl3之间的比值不再为 1 的时候，CVB模式同样发生变化 当cl1=cl3=1和cl21时，由第三、四种情况（a3,cl2=0.5;a4,cl2=0.25）可以观察到随着LG5占比的下降，CVB 整体向着 LG2+LG11二元叠加变化的趋势愈发明显接下来考虑4个LG模式的叠加，可分为两类：4 个模式直接叠加和两组双模式叠加 对于前者，具体研究 LG2+LG5+LG11+LG23，不难推断将生成呈现 3 层同心摩天轮形态的 CVB 模拟和实验结果如图 3（a）的中间和右侧列所示摩天轮内层、中层和外层的暗点数量分别等于|l2l1|、|l3l2|和|l4l3|暗点同样对应相位奇点，如相位分布图 3（a）左侧所示 对于两组双模式叠加的情况，具体研究LG1+LG5+LG20+LG-20 如图 3（b）所示，强度和相位分布都有两个部分，对应于两对 LG 模式的叠加，即 LG1+LG5和 LG20+LG-20 与前一种不同，这里的强度分布呈向日葵状，向外辐射而出的花瓣数量等于|l3|或|l4|的两倍 相位分布的内部也具有相明阳：基于单层光学超表面产生复合涡旋光束的方法研究LGsupLGLG常熟理工学院学报（自然科学）2023 年20（a）旋转入射线偏光偏振方向对产生 CVB 的影响；（b）入射光线偏振态、圆偏振态和椭圆偏振态对产生 CVB 的影响图4 基于具有不同圆偏振态的4个LG模式叠加产生CVB位奇点，但外部表现为奇异线，导致花瓣的形成为了探究更多新奇的 CVB，进一步研究了由不同圆偏振态的 4 个 LG 涡旋叠加而成的模式，具体考虑 线偏振态可以分解为两个等量叠加的圆偏振态 以不同偏振方向的线偏光入射，相应模拟和实验结果分别在图 4（a）第一行和第二行给出 强度图案中的暗隙清楚地显示了 CVB 矢量光束的特性 图 4（b）则给出了入射线偏、圆偏和椭圆偏光对产生 CVB 的影响 圆偏振（RCP/LCP）入射光的模拟和实验强度图案都呈简单的花形状 椭圆偏振态是圆偏振态和线偏振态的中间态，因而其强度分布亦似两个偏振态对应的强度分布的过渡形态本文实验展示了以单层超表面调控多个 LG 模式叠加产生 CVB 通过控制初始相位、幅值系数和入射偏振态来获得不同形态的 CVB 相应设计提供了一个紧凑的平台用以生成 CVB，而无须复杂的体块光学系1177 RLRLLG eLG eLG eLG e+统，从而进一步促进集成光子学相关应用的发展 与用于产生 CVB 的传统方法相比，本文提出的基于光学超表面的方法有以下优点：一是克服了实现涡旋光束叠加的传统方法中的诸多技术挑战，例如庞大的实验装置、未对准问题和像差 这里的单层超表面可以方便地用于具有不同圆偏振态的多个涡旋光束的叠加，而对于需要级联许多体块光学元件和严格对准的传统光学系统来说是极具挑战性的 二是超表面设计方法对制备过程容错率很高，为创建和研究 CVB 提供了可靠的工具 三是调控光相位奇点的空间分布为探索奇异光学和量子科学中的新现象和应用开拓了新途径 相关结果发表于Advanced Materials 10 参考文献 1 CHEN X,HUANG L,MUHLENBERND H,et al.Dual-polarity plasmonic metalens for visible light J.Nat Commun,2012,3:1198.2 ARBABI E,KAMALI S M,ARBABI A,et al.Vectorial holograms with a dielectric metasurface:ultimate polarization pattern generation J.ACS Photonics,2019,6:2712.3 MING Y,ZHANG W,TANG J,et al.Nonlinear wavy metasurfaces with topological defects for manipulating orbital angular momentum states J.ACS Photonics,2021,8:1896.4 MING Y,WU Z J,WU H,et al.Surface plasmon interferometer based on wedge metal waveguide and its sensing applications J.IEEE Photonics J,2012,4:291.5 CHANTAKIT T,SCHLICKRIEDE C,SAIN B,et al.All-dielectric silicon metalens for two-dimensional particle manipulation in optical tweezers J.Photonics Res,2020,8:1435.6 MING Y,ZHANG W,TANG J,et al.Photonic entanglement based on nonlinear metamaterials J.Laser Photonics Rev,2020,14:1900146.7 TIAN Y,WANG L,DUAN G,et al.Multi-trap optical tweezers based on composite vortex beams J.Opt Commun,2021,485:126712.8 LEMBESSIS V E,LYRAS A,ALDOSSARY O M.Optical Ferris wheels as a platform for collisional quantum gates J.J Opt Soc Am B,2021,38:233.9 ALLEN L,BEIJERSBERGEN M W,SPREEUW R J C,et al.Orbital angular momentum of light and the transformation of Laguerre-Gaussian laser modes J.Phy