一种相对功率变化小于1dB的光轨道角动量叠加态产生器制造技术

本发明专利技术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，因此本发明专利技术是光偏振可控的。本发明专利技术具有偏振可控、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。

An Optical Orbital Angular Momentum Superposition State Generator with Relative Power Change Less than 1dB

【技术实现步骤摘要】
一种相对功率变化小于1dB的光轨道角动量叠加态产生器(一)
本专利技术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)
技术介绍
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(HuiX,ZhengS,ChenY,etal.ScientificReports,2015,5:10148.)；OAM叠加态光在光操控中更具潜力(WangFX,WuJ,ChenW,etal.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(AadhiA,VaityP,ChithrabhanuP,etal.AppliedOptics,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(ShiS,DingDS,YuYC,etal.PhysicalReviewA,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(OemrawsinghSSR,HouwelingenJAWV,etal.AppliedOptics,2004,43(3):688-94.)、Q-plate(MarrucciL.PhysicalReviewLetters,2006,96(16):163905.)、特殊设计的超表面(YueF,WenD,ZhangC,etal.AdvancedMaterials,2017,29(15):1603838.)、集成的角动量光栅(LiJB,LiangS,XiaoS,etal.OpticsExpress,2016,24(3):2360.)、空间光调制器生成的全息图(GibsonG,CourtialJ,VasnetsovM,etal.OpticsExpress,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(LiuH,TengC,YangH,etal.OpticsExpress,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。(三)
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种结构简单紧凑、易于集成、实用性强、具备偏振可调性且OAM模式间的相对功率变化小于1dB的轨道角动量叠加态产生器。本专利技术的目的是这样实现的：一种相对功率变化小于1dB的光轨道角动量叠加态产生器(以下简称产生器)。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，通过控制不同的圆偏振入射状态，所得叠加态的轨道角动量谱是彼此分离的，因此本专利技术是光偏振可控的。通过合理的设计柱状偶极子阵列1和2中柱状偶极子的结构参数，超表面上的每一个柱状偶极子都相当于一个二分之一波片，它能够将入射圆偏振光转化为它的正交圆偏振态光，与此同时赋予光场额外的相位2σθ，其中σ＝1(-1)对应左(右)旋圆偏振入射光情形，θ是柱状偶极子的旋转角度(见图2)。柱状偶极子阵列1中的柱状偶极子的对称轴的相对旋转角θ与柱状偶极子所在位置的方位角满足关系柱状偶极子阵列2中的柱状偶极子的对称轴的相对旋转角θ与柱状偶极子所在位置的方位角满足关系柱状偶极子阵列1和2嵌套组合，从而能够调制入射光，使其获得相位因子因此入射光通过产生器，出射光场可表示为：其中为圆偏振单位矢量，E0为光场振幅，为方位角，M为一个无量纲的常数，α是一个可变的角度。公式(1)可以展开为一系列标准螺旋相位涡旋光的叠加，因此出射光是OAM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(模式数量由M的值决定)并且各模式间的相对功率变化小于1dB。当输入光为左旋圆偏振光(σ＝1)时，出射光获得相位因子当输入光右旋圆偏振光(σ＝-1)时，出射光获得相位因子若α≠π，两种不同入射偏振状态下的出射光的OAM谱是相互分离的，因此所述产生器是偏振可控的。所述的产生器柱状偶极子阵列1和2中的柱状偶极子由介电常数高且损耗低的材料制备而成，可选用非晶硅、氮化硅、磷化镓或者二氧化钛。所述的产生器柱状偶极子阵列1和2中的柱状偶极子的结构可以是椭圆柱状、多边柱状。本专利技术的有益效果在于：本专利技术提供了一种相对功率变化小于1dB的光轨道角动量叠加态产生器。所述产生器产生的OAM叠加态的OAM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，所述产生器偏振可本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种相对功率变化小于1dB的光轨道角动量叠加态产生器。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光进行调制使其获得相位因子

【技术特征摘要】
1.一种相对功率变化小于1dB的光轨道角动量叠加态产生器。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光进行调制使其获得相位因子其中σ为自旋量子数(σ＝+1和-1分别对应入射光的左旋和右旋两种圆偏振状态)，为方位角，M为一个无量纲的常数，α是一个可变的角度，从而出射光变成轨道角动量叠加态光。本发明的特征是：通过设计适当的M值，所得轨道角动量叠加态光的轨道角动量谱会存在一个平坦区间，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；此外，通过设计α≠π，不同圆偏振(左旋和右旋两种圆偏振)的入射光情形下，所得轨道角动量叠加态的轨道角动量谱是彼此部分分离的(α＝0时完全分离)，因此本发明具备偏振可控性。2.根据权利要求1所述的相对功率变化小于1dB的光轨道角动量叠加态产生器，其特征是所述的柱状偶极子阵列1和2中的柱状偶极子由介电常数较高且损耗较低的介质材料制备而成，所选材料可以是非晶硅、氮化硅、磷化镓或二氧化钛。3.根据权利要求1所述的相对功率变化小于1d...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘厚权，高文文，陈明，邓仕杰，苑立波，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：广西,45