一种偏振可控的双模式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偏振可控的双模式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、金属十字条2和F4B介质基底3多层结构组成。所述的轨道角动量叠加态产生器对x偏振入射光进行相位调制，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3dB。同时，入射y偏振光可以在透射模式下产生轨道角动量光束，因此本发明专利技术是光偏振可控且是双模式的。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。

A dual-mode orbital angular momentum superposition generator with controllable polarization

【技术实现步骤摘要】
一种偏振可控的双模式轨道角动量叠加态产生器(一)
本专利技术涉及的是一种偏振可控的双模式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
超表面器件是一种由纳米天线按照一定的排列方式设计而成的平面光学器件，通过调节单元结构的旋转方向和结构尺寸实现光束的相位控制。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则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。OAM光束的潜在应用价值引起了研究者们探究其产生和调制方法的巨大兴趣，考虑到产生OAM光束的超表面结构能极大地缩小器件尺寸，便于集成，因而不同类型的亚波长结构单元被广泛探索勇于设计超表面器件。OAM光束的强度和相位分布的特殊性使其在光学微操控、光学量子捕获、超震荡成像和自旋角速度表征等领域得到了广泛应用，尤其是在量子密钥分布系统和光通信领域，考虑到OAM光束的l数的自由度，进而由此可构建高维的Hilbert空间，从而可利用OAM光束作为信息载体完成通信信道大信息容量的编码和传输，也能缔结更安全的通信协议。OAM光束的潜在应用价值引起了研究者们探究其产生和调控方法的巨大兴趣。传统的OAM光束产生器件主要是空间相位板、液晶空间光调制器、Q-plate、计算感应全息和环形光栅等元件，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.)等来产生，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；特殊设计的超表面的超表面和集成的角动量光栅一般同样只能产生少量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，并设计出了一种产生的OAM叠加态相对功率变化小于3dB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OAM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，且对于精密电子器件的集成存在一定困难，这不符合当前人们对高度灵活可集成可调谐器件的需求。因此提出了一种能通过二次幂指相位调制来得到具有平坦功率谱且具有偏振可控特性的OAM叠加态产生器,与此同时，在入射不同偏振态的电磁波时可以在不同的传输模式下产生轨道角动量光束其同时具备结构简单、可集成，并且可调谐双模式特性弥补了现有技术的不足，对未来超表面器件和OAM光束的应用具有重大意义。(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、实用性强的偏振可控的双模式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：一种偏振可控的双模式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、金属十字条2和F4B介质基底3多层结构组成。所述的双模式轨道角动量叠加态产生器可对入射x偏振光进行相位调制在反射模式下产生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3dB。另外，入射y偏振光可以在透射模式下产生轨道角动量光束，因此本专利技术是光偏振可控而且可实现透射和反射双模式。当θ与方位角满足的关系时，入射x偏振光通过产生器，出射光场可表示为：其中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3dB。当输入光为y偏振光时，出射光获得相位因子变成轨道角动量光束。因此两种不同入射偏振状态下得到不同的OAM光束，因此所述产生器是偏振可控的。所述的偏振可控的双模式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中的柱状偶极子是由金属材料制备而成，所选材料可以是金、银、铝和铜等。所述的产生器柱状偶极子阵列1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偏振可控的双模式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3dB。另外，所述产生器偏振可控并且可以同时实现透射和反射双模式。本专利技术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。(四)附图说明图1为产生器的示意图，由柱状偶极子阵列1、金属十字条2和F4B介质基底3多层结构组成。图2为产生器柱状本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种偏振可控的双模式轨道角动量叠加态产生器。它由柱状偶极子阵列1、金属十字条2和F4B介质基底3多层结构组成。所述的轨道角动量叠加态产生器可对x偏振入射光实现反射调制使其获得相位因子

【技术特征摘要】
1.一种偏振可控的双模式轨道角动量叠加态产生器。它由柱状偶极子阵列1、金属十字条2和F4B介质基底3多层结构组成。所述的轨道角动量叠加态产生器可对x偏振入射光实现反射调制使其获得相位因子为方位角，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。对于y偏振入射光可以通过多层结构实现透射产生轨道角动量光束，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3dB；此外，不同的偏振入射光可以通过不同的传输模式得到轨道角动量光束。


2.根据权利要求1所述的偏振可控的双模式轨道角动量叠加态产生器，其特征是所述的柱状...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈明，高文文，刘厚权，陈晨，张文波，张逸伦，李诚皓，
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