一种强聚焦条件下生成亚波长时空涡旋的方法技术

本发明专利技术公开了一种强聚焦条件下生成亚波长时空涡旋的方法，该方法根据焦场在时空域内的拓扑荷数定制入射时空波包，所定制的波包经高数值孔径的透镜聚焦后，可在焦平面上生成亚波长尺度内具有预定横向轨道角动量的时空涡旋光场。本发明专利技术实现运用强聚焦条件下生成亚波长时空涡旋的方法，用于解决自由空间中的时空涡旋经高数值孔径透镜聚焦后时空螺旋相位被破坏的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种强聚焦条件下生成亚波长时空涡旋的方法
本专利技术涉及微纳光学
，具体为一种强聚焦条件下生成亚波长时空涡旋的方法。
技术介绍
光子角动量作为光子内秉特性之一，是纳米光子学一个重要研究方向，可广泛应用于大容量超高速光通信、量子信息处理、光镊、超分辨显微成像、自旋轨道耦合等领域，其与微纳结构的相互作用极有可能给这些领域带来里程碑式的发展。光子的角动量分为自旋角动量和轨道角动量两种类型。电场或磁场振动方向的旋转产生光子自旋角动量，其大小由光子的偏振螺旋度决定，通常自旋角动量的自旋轴方向平行于光束传播方向，亦称之为纵向自旋角动量。在空间域内，光场的轨道角动量可以用涡旋波前表示，其中是光束横截面内的方位角，l是任意的正负整数，称之为拓扑荷。与纵向自旋角动量类似，这种轨道角动量使涡旋光场的能流绕着平行于光束传播方向的轴流转，故称之为纵向轨道角动量。随着光场调控理论与技术的快速发展，人们对光子角动量的认知也在不断深化。2013年，Banzer等人首次在实验中测量到纯横向自旋角动量，其自旋轴垂直于传播方向，颠覆了光子只具有纵向自旋角动量的传统认知。其实早在1959年，Richards和Wolf在其著名的矢量衍射理论中就曾指出：在一个光学聚焦系统的聚焦平面上，电场和磁场存在纵向分量，并且纵向分量和横向分量的相位差为λ/2。以现在的理论观点来讲，这一结论即意味着存在不为零的横向自旋角动量。与之相对应，通过引入时间域内的相位变化，可以获得纯横向轨道角动量，所形成的涡旋光束绕着垂直于其传播方向的轴旋转。由于时空涡旋光束为光场调控提供了一个全新的维度，近年来吸引了越来越多的研究人员的关注，成为光学领域研究的前沿热点。J.F.Nye等人分析了超声波脉冲经粗糙表面反射后其散射波列存在错位这一现象，在理论上证明散射波中存在时空涡旋。N.Jhajj等人通过超强激光脉冲与空气的非线性作用，在实验上证实了时空光涡旋的存在；不过所形成的光场中只有一小部分能量带有横向OAM。S.W.Hancock等人演示了自由空间中时空涡旋光束的产生与传播，使用瞬态光栅单发超连续光谱干涉法完成时空涡旋光束相位和幅度的测量。A.Chong等人利用基于空间频率-频率面到空间-时间面的傅里叶变换，成功生成并表征了携带横向光子轨道角动量的超短脉冲光学波包。目前的研究成果仅限于自由空间中的时空涡旋光束的生成。自由空间中的时空涡旋光束经高数值孔径的透镜聚焦后，会发生劈裂现象，即透镜焦平面上的光场不再具有时空螺旋相位。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供了一种强聚焦条件下生成亚波长时空涡旋的方法，用于解决自由空间中的时空涡旋经高数值孔径透镜聚焦后时空螺旋相位被破坏的问题。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种强聚焦条件下生成亚波长时空涡旋的方法，包括以下步骤：S1、根据焦场时空涡旋的拓扑荷N，确定时空涡旋焦场的拉盖尔高斯模S2、将时空涡旋焦场的拉盖尔高斯模进行模式分解，得到同阶数的厄米高斯模其中n和m的组合称之为阶数；S3、将厄米高斯模作为高数值孔径透镜的入射场，所述入射场通过透镜聚焦得到轨道角动量为N的亚波长时空涡旋。优选的，所述步骤S1中的拉盖尔高斯模其n+m＝|N|。当螺旋相位在x-t面内，N≥0时，m＝N，n＝0；当N<0时，m＝0，n＝|N|。优选的，所述步骤S2中的拉盖尔高斯模与厄米高斯模可以用如下表达式关联起来：其中，实系数b(n,m,k)为：优选的，步骤S3还包括以下步骤：S31、将得到的厄米高斯模在x-t面内沿逆时针方向旋转45度；S32、将旋转后的厄米高斯模作为高数值孔径透镜的入射场；S33、所述入射场经透镜聚焦后，即可在透镜焦平面上得到轨道角动量为N的亚波长时空涡旋。优选的，步骤S1的时空涡旋焦场可简化为：其中为广义拉盖尔多项式，其递推关系式可表示如下：且有与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1、强聚焦条件下生成亚波长时空涡旋的方法在一系列涉及轨道角动量的领域都有着重大的应用前景。相较于传统的空间轨道角动量，该方法可以在高度局域的范围内提供时空维度上的轨道角动量调控，从而生成纯横向的时空涡旋，为高度局域的光场提供了一个全新的自由度，在显微成像、光镊、激光加工等领域具有巨大的应用潜力。2、本专利技术性能强大。本专利技术可以有效克服自由空间中的时空涡旋经高数值孔径透镜聚焦后发生劈裂这一问题，使时空焦场重新恢复时空螺旋相位，并且可以将焦场局域在亚波长尺度内。3、本专利技术可扩展性强。本专利技术所提出的方法可应用于全波段的时空光场，亦可推广应用于其他物理场，比如声波场等。附图说明图1为本专利技术中强聚焦条件下生成亚波长时空涡旋的方法的示意图；图2为本专利技术中的HG01模时空波包在时空域内三个面上的强度(a)和相位(b)分布，(a)中同时给出了时空波包在峰值强度的0.5倍处的等值面图；图3为本专利技术中的HG01模时空波包沿逆时针方向旋转45°后得到的时空波包在时空域内三个面上的强度(a)和相位(b)分布，(a)中同时给出了时空波包在峰值强度的0.5倍处的等值面图；图4为将图3中的时空波包作为入射场，经高数值孔径透镜聚焦后，在焦平面上得到的时空涡旋光场在时空域内的强度(a)和相位(b)分布，(a)中同时给出了时空涡旋焦场在峰值强度的0.55倍处的等值面图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术提供的一种实施例，一种强聚焦条件下生成亚波长时空涡旋的方法，包括以下步骤：S1、根据焦场时空涡旋的拓扑荷N，确定时空涡旋焦场的拉盖尔高斯模S2、将时空涡旋焦场的拉盖尔高斯模进行模式分解，得到同阶数的厄米高斯模其中n和m的组合称之为阶数；S3、将厄米高斯模作为高数值孔径透镜的入射场，所述入射场通过透镜聚焦得到轨道角动量为N的亚波长时空涡旋。进一步的，所述步骤S1中的拉盖尔高斯模其n+m＝|N|。当螺旋相位在x-t面内，N≥0时，m＝N，n＝0；当N<0时，m＝0，n＝|N|。进一步的，所述步骤S2中的拉盖尔高斯模与厄米高斯模可以用如下表达式关联起来：其中，实系数b(n,m,k)为：进一步的，步骤S3还包括以下步骤：S31、将得到的厄米高斯模在x-t面内沿逆时针方向旋转45度；S32、将旋转后的厄米高斯模作为高数值孔径透镜的入射场；S33、所述入射场经透镜聚焦后，即可在透镜焦平面上得到轨道角动量为N的亚波长时空涡旋。聚焦时空涡旋在空间域内的尺寸取决于透镜的数值孔径，其数值孔径越大，聚焦时空涡旋的物理尺寸越小。<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种强聚焦条件下生成亚波长时空涡旋的方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1、根据焦场时空涡旋的拓扑荷N，确定时空涡旋焦场的拉盖尔高斯模

【技术特征摘要】
1.一种强聚焦条件下生成亚波长时空涡旋的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据焦场时空涡旋的拓扑荷N，确定时空涡旋焦场的拉盖尔高斯模
S2、将时空涡旋焦场的拉盖尔高斯模进行模式分解，得到同阶数的厄米高斯模其中n和m的组合称之为阶数；
S3、将厄米高斯模作为高数值孔径透镜的入射场，所述入射场通过透镜聚焦得到轨道角动量为N的亚波长时空涡旋。


2.根据权利要求1所述的强聚焦条件下生成亚波长时空涡旋的方法，其特征在于，所述步骤S1中的拉盖尔高斯模其n+m＝|N|。当螺旋相位在x-t面内，N≥0时，m＝N，n＝0；当N<0时，m＝0，n＝|N|。


3.根据权利要求1所述的强聚焦条件下生成亚波长时空涡旋的方法，其特征在于，所述步骤S2中的拉盖尔高斯模...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈建，詹其文，郑震洧，万辰皓，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：上海;31