基于拉比振荡的光学角动量动态切换装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及光电子技术领域，为基于拉比振荡的光学角动量动态切换装置及方法，其装置包括：干涉组件，包括分束棱镜、反射镜，将第一路光束和第二路光束合束干涉；矢量涡旋光场生成组件，包括用于输出准直高斯光束的激光器、用于对第二路光束产生矢量涡旋光场的可变涡旋玻片、用于诱导锐边衍射效应的锐边衍射元件，锐边衍射元件将矢量涡旋光场转变为无衍射微纳尺度的矢量涡旋

【技术实现步骤摘要】
基于拉比振荡的光学角动量动态切换装置及方法


[0001]本专利技术属于光电子
，具体涉及基于拉比振荡的光学角动量动态切换装置及方法。

技术介绍

[0002]随着现代信息通信技术的发展，人们对信息传输、处理、存储等方面提出了更高的要求，但目前，微芯片集成电路系统随着尺寸减小引发的量子隧穿效应和热损耗等问题，电子微芯片的承载能力已经逼近了物理理论的极限，出现了所谓的“电子瓶颈”问题，很难继续满足摩尔定律的预测。由于光具有诸多天然优势(并行处理、波分复用、模分复用、多维度调控等)，光子器件对信息的传输速度、容量等是电子器件无法比拟的，因此，以光子替代电子作为微芯片系统中信息交换处理的载体是未来通信技术发展的必然趋势，开发新型高性能的光子器件是集成光路的迫切发展目标；而光开关作为集成光路的核心逻辑器件，具有实现动态信道切换、光网络故障保护、波长动态分配等功能，在集成光路起着无可替代的作用，所以实现集成化、高效率、稳定性高的光开关迫在眉睫。
[0003]光开关的基本功能是对光传输线路中的光信号进行开与关操作或信道切换，光开关是集成光路的关键器件，在集成光路、光通信网络系统等具有至关重要的作用，因此，研究和开发新型的光开关是十分重要的。传统的光开关基础组成单元是2
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2的形式，即在入射端口和出射端口各存在两条光纤，可以实现平行传输和交叉传输状态。
[0004]根据光开光的原理不同，光开关主要有机械式光开关、平面波导型光开关和液晶光开关。机械式光开关由传统的机械式光开关和微机电系统(MEMS)光开关组成，这种光开关主要是利用光学元件对传输的光路进行物理切换，具有较低的损耗，响应时间仅为毫秒量级，但通常只有1
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2和2
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2两种规格，级联组成的光开关体积庞大，不易集成。波导型光开关可分为：电光开光、声光开关、磁光开关、热光开关等，其中，电光开关主要是利用材料的电光效应，外加电场调节材料折射率，达到改变光信号传输强度、方向等目的，而且其体积小，功耗低，开关时间可达到微秒量级；声光开关主要是利用材料声光效应，利用声波来形成局部压缩或伸长应变，使得材料折射率呈周期性分布，使得光发生全发射现象而完成光路切换操作，此种开关响应时间快，但损耗大，成本高；磁光开关主要是利用材料的法拉第旋光效应，在外电场作用下改变光的偏振状态，从而完成光路切换操作，此种开关稳定性高，但不易集成化；热光开关则是利用材料的热光效应，对材料加热，改变其折射率，从而实现光路切换操作，此种开关易于集成，成本低，但对材料要求较高。液晶光开关主要利用液晶分子在外加电场下取向会发生改变的特性，从而实现光路切换操作，此种开关易于操作，但切换时间较慢。
[0005]上述这几种光开光在不同的应用条件下都发挥着重要的作用，在线性改变折射率条件下实现了对振幅、相位、偏振等光学自由度的动态切换。但是，以上几种类型的光开关都没有涉及光学角动量这一重要自由度的动态切换，亟需开发出一种新型的光学角动量切换技术，以满足人们在科研、生产活动等方面的需求。
[0006]目前，能够实现对光学角动量自由度动态切换的技术屈指可数，一些实现角动量光开关都是利用飞秒激发的强非线性效应原理，导致物质(晶体)的折射率呈非线性改变，使光子带隙快速红移或蓝移，从而实现对光学角动量的切换。但是这种基于非线性效应的角动量切换技术，其装置体积大，成本高，需要依赖于强大的光强能量，不利于实际应用。因此，亟需开发出一种新型的、便于集成的、具有良好稳定性的、易于切换的光学角动量切换技术。

技术实现思路

[0007]为了解决现有技术所存在的问题，本专利技术提出基于拉比振荡的光学角动量动态切换装置及方法，通过调节外加电场，改变晶体的折射率差，从而改变光学拉比振荡的周期，在不外加电场且角动量为零的距离处，实现对光学角动量正、负、零三种状态的动态切换，本专利技术易于光学角动量的切换、便于集成，具有较大的使用价值和研究意义。
[0008]本专利技术装置采用如下技术方案来实现：基于拉比振荡的光学角动量动态切换装置，包括：
[0009]干涉组件，包括第一分束棱镜、反射镜和第二分束棱镜，第一分束棱镜用于将准直高斯光束分成第一路光束和第二路光束，反射镜用于改变第一路光束的方向，第二分束棱镜用于将第一路光束和第二路光束合束干涉；
[0010]矢量涡旋光场生成组件，包括用于输出准直高斯光束的激光器、用于对第二路光束产生矢量涡旋光场的可变涡旋玻片、用于诱导锐边衍射效应的锐边衍射元件；其中，锐边衍射元件上镀有厚度为百纳米量级的金属薄膜，将可变涡旋玻片所产生的矢量涡旋光场转变为无衍射微纳尺度的矢量涡旋
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贝塞尔光场；
[0011]自旋
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轨道耦合组件，包括双折射晶体和施加在双折射晶体上下两端的外加电场，矢量涡旋
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贝塞尔光场在双折射晶体内部发生自旋
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轨道相互作用，通过调整外加电场改变晶体的折射率差，诱导拉比振荡效应的产生，从而诱发绝对值相等、符号相反的自旋角动量和轨道角动量的振荡，使光学角动量发生周期性振荡。
[0012]在本专利技术优选的实施例中，自旋
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轨道耦合组件对外加电场的调整方式包括：将外加电场调整为正电场或负电场，或者将外加电场调整为零；
[0013]外加电场为零时，在某一传播距离处，自旋角动量和轨道角动量都为零，干涉图案为规整的干涉条纹，光学角动量开关为关闭状态；
[0014]外加电场为正电场时，双折射晶体的折射率差变大，拉比振荡周期变小，在相同的传播距离处，轨道角动量大于零而自旋角动量小于零，干涉条纹的位错方向向上，光学角动量开关为正开状态；
[0015]外加电场为负电场时，双折射晶体的折射率差变小，拉比振荡周期变大，在相同的传播距离处，轨道角动量小于零而自旋角动量大于零，干涉条纹的位错方向向下，光学角动量开关为负开状态。
[0016]基于相同的专利技术构思，本专利技术光学角动量动态切换方法基于上述光学角动量动态切换装置，其中可变涡旋玻片还与示波器连接，切换方法包括以下步骤：
[0017]将激光器出射的高斯光束经过第一分束棱镜分束，分成第一路光束和第二路光束；
[0018]将第二路光束垂直射向可变涡旋玻片，调节示波器，使可变涡旋玻片出射的矢量光斑形状完好，光强度均匀；
[0019]将可变涡旋玻片产生的矢量涡旋光束垂直打到锐边衍射元件，诱发锐边衍射效应，产生无衍射的矢量涡旋
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贝塞尔光场；
[0020]调整双折射晶体，使双折射晶体光轴与矢量涡旋
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贝塞尔光场出射方向平行，调整外加电场，使矢量涡旋
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贝塞尔光场垂直入射各向异性的双折射晶体，并在晶体内部发生自旋
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轨道耦合，诱导拉比振荡效应的产生，使第二路光束的光学角动量发生周期性振荡；
[0021]搭建干涉光路，使第一路光束经过反射镜后，与第二路光束在第二分束棱镜内合束干涉。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于拉比振荡的光学角动量动态切换装置，其特征在于，包括：干涉组件，包括第一分束棱镜、反射镜和第二分束棱镜，第一分束棱镜用于将准直高斯光束分成第一路光束和第二路光束，反射镜用于改变第一路光束的方向，第二分束棱镜用于将第一路光束和第二路光束合束干涉；矢量涡旋光场生成组件，包括用于输出准直高斯光束的激光器、用于对第二路光束产生矢量涡旋光场的可变涡旋玻片、用于诱导锐边衍射效应的锐边衍射元件；其中，锐边衍射元件上镀有厚度为百纳米量级的金属薄膜，将可变涡旋玻片所产生的矢量涡旋光场转变为无衍射微纳尺度的矢量涡旋
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贝塞尔光场；自旋
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轨道耦合组件，包括双折射晶体和施加在双折射晶体上下两端的外加电场，矢量涡旋
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贝塞尔光场在双折射晶体内部发生自旋
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轨道相互作用，通过调整外加电场改变晶体的折射率差，诱导拉比振荡效应的产生，从而诱发绝对值相等、符号相反的自旋角动量和轨道角动量的振荡，使光学角动量发生周期性振荡。2.根据权利要求1所述的光学角动量动态切换装置，其特征在于，自旋
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轨道耦合组件中，外加电场的调整方式包括：将外加电场调整为正电场或负电场，或者将外加电场调整为零；外加电场为零时，在某一传播距离处，自旋角动量和轨道角动量都为零，干涉图案为规整的干涉条纹，光学角动量开关为关闭状态；外加电场为正电场时，双折射晶体的折射率差变大，拉比振荡周期变小，在相同的传播距离处，轨道角动量大于零而自旋角动量小于零，干涉条纹的位错方向向上，光学角动量开关为正开状态；外加电场为负电场时，双折射晶体的折射率差变小，拉比振荡周期变大，在相同的传播距离处，轨道角动量小于零而自旋角动量大于零，干涉条纹的位错方向向下，光学角动量开关为负开状态。3.根据权利要求1所述的光学角动量动态切换装置，其特征在于，反射镜包括相连接的第一反射镜和第二反射镜。4.根据权利要求1所述的光学角动量动态切换装置，其特征在于，矢量涡旋光场生成组件中，锐边衍射元件为锐边圆盘或锐边圆环。5.根据权利要求1所述的光学角动量动态切换装置，其特征在于，所述光学角动量动态切换装置还包括CCD摄像机，用于采集记录不同条件下的光斑和干涉条纹，...

【专利技术属性】
技术研发人员：付神贺，刘国华，陈振强，李真，尹浩，呼燕文，
申请(专利权)人：暨南大学，
类型：发明
国别省市：