【技术实现步骤摘要】
双路自旋角动量和动量方向可控的单光子发射器及其方法
[0001]本专利技术涉及纳米光子学领域，具体涉及一种双路自旋角动量和动量方向可控的单光子发射器及其实现方法。
技术介绍
[0002]量子信息科学近年来发展迅速，是现代物理学的前沿领域之一。与其它物理系统相比，光子与环境的相互作用较弱，可以保持良好的量子相干性，因此它们是量子信息的理想载体。单光子源在基于光子的量子信息技术中具有重要作用，特别是固态单光子源，如量子点、氮空位色心等，被认为是构建可扩展的基于光子的量子信息技术的重要基本单元。对于光子而言，其能量、动量和自旋角动量都是基本自由度，可用于携带量子信息和增加信息容量，如进行波长复用和动量复用。通常，光子的能量可以通过固态单光子源的能隙来简单地实现控制。然而，固态单光子源发出的光子通常是空间各向同性发射的，光波矢对应动量方向，即动量方向是随机的；同时，固态单光子源发出的光子偏振状态通常也是随机的，而偏振状态对应光子的自旋角动量，因此其自旋角动量也是随机的，要实现对固态单光子源发射光子的动量方向和自旋角动量控制就需要专门
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种双路自旋角动量和动量方向可控的单光子发射器，其特征在于，所述双路自旋角动量和动量方向可控的单光子发射器包括：金属衬底、第一超表面结构、第二超表面结构、介质间隔层和单光子源；其中，在笛卡尔坐标系下，金属衬底的上表面垂直于z轴；在金属衬底的上表面分别形成第一超表面结构和第二超表面结构；第一超表面结构和第二超表面结构分别为刻在金属衬底上表面的多个纳米散射单元，每一个纳米散射单元包括刻在金属衬底上表面的两个形状相同的长方形纳米沟槽，位于半径逆时针方向的长方形纳米沟槽为第一纳米沟槽，位于半径顺时针方向的长方形纳米沟槽为第二纳米沟槽，第一和第二纳米沟槽在内侧的长边上且邻近的顶点位于以原点为中心的同一条半径上，属于第一纳米沟槽的顶点为第一顶点，属于第二纳米沟槽的顶点为第二顶点，第一超表面结构的第一纳米沟槽的长边与半径的夹角作为第一纳米沟槽的取向表示为α1，第一超表面结构的第二纳米沟槽的长边与半径的夹角作为第二纳米沟槽的取向表示为β1，第一超表面结构的第二纳米沟槽的中心到原点的距离减去第一纳米沟槽的中心到原点的距离作为第一径向距离s
r1
；第二超表面结构的第一纳米沟槽的长边与半径的夹角作为第一纳米沟槽的取向表示为α2，第二超表面结构的第二纳米沟槽的长边与半径的夹角作为第二纳米沟槽的取向表示为β2，第二超表面结构的第二纳米沟槽的中心到原点的距离减去第一纳米沟槽的中心到原点的距离作为第二径向距离s
r2
，第一超表面结构位于x1y1z第一子坐标系中，第二超表面结构位于x2y2z第二子坐标系中，第一子坐标系与第二子坐标系共z轴且具有相同的原点；第一和第二超表面结构的第一和第二纳米沟槽的取向以及径向距离满足以下自旋角动量控制方程组：超表面结构的第一和第二纳米沟槽的取向以及径向距离满足以下自旋角动量控制方程组：超表面结构的第一和第二纳米沟槽的取向以及径向距离满足以下自旋角动量控制方程组：其中，i＝1或2，k
spp
为表面等离激元的波矢，k0为真空光波矢，为第一超表面结构的纳米散射单元位于第一子坐标系的方位角，为第二超表面结构的纳米散射单元位于第二子坐标系的方位角，即分别为第一和第二超表面结构的第一顶点所在半径的方位角；纳米散射单元在结构上是各向异性的，即不同方位角上的纳米散射单元的内部结构参数不同，是一种各向异性超表面；k1为第一超表面结构的设定的发射方向的光波矢，表示第一超表面结构的设定的发射方向，设定的发射方向在x1‑
z平面内，第一超表面结构的设定的发射方向与z轴之间的夹角作为第一发射角θ1；k2为第二超表面结构的设定的发射方向的光波矢，表示设定的发射方向，设定的发射方向在x2‑
z平面内，第二超表面结构的设定的发射方向与z轴之间的夹角作为第二发射角θ2，长方形纳米沟槽的长度和宽度分别表示为l和w；其中，自旋角动量控制方程组的第三个方程中等式右边取“+”表示左旋圆偏振，即设定发射方向上光子的自旋角动量为正约化普朗克常数取
“‑”
表示右旋圆偏振，即设定发射方向上光子的自旋角动量为负约化普朗克常数且第一超表面结构的设定的发射方向的光波矢k1与第二超表面结构的设定的发射方向的光波矢k2在金属衬底表面的投影方向相反，即x1轴与x2轴的指向相反；第一和第二超表面结构的纳米散射单元的位置矢量r1和r2分别在第一和第二超表面结构的设定的发射方向满足相长干涉条件：
k
spp
r
i
+δ
i
‑
k
i
·
r
i
＝2m
i
π+C
0i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)其中，δ1和δ2分别为第一和第二超表面结构的纳米散射单元的散射相位，r1和r2分别为第一和第二超表面结构的纳米散射单元的位置矢量r1和r2的模，以纳米散射单元的第一顶点与第二顶点的中点作为纳米散射单元的位置，即r1和r2分别为第一和第二超表面结构的第一顶点与第二顶点的中点至原点的距离，C
01
和C
02
分别为适用于第一和第二超表面结构的所有纳米散射单元的常数，m1和m2为整数；第一和第二超表面结构的纳米散射单元的极坐标位置满足动量方向控制方程：其中，第一或第二超表面结构的椭圆螺旋线的起点至原点的距离r
0i
＝(C
0i
/k
spp
+λ
spp
)，λ
spp
和λ分别表示表面等离激元波长和光波长；m1和m2分别表示第一和第二超表面结构的椭圆螺旋线的圈次，分别在第一和第二子坐标系的x1和x2的负方向上，m1＝m2＝1，...，N，且分别在第一和第二子坐标系的x1和x2的正方向上m1＝m2＝N+1，...，M，3≤N≤M
‑
3，6≤M≤15，使得第一和第二超表面结构的纳米散射单元所在位置在空间上没有彼此交叠；第一和第二超表面结构的纳米散射单元的散射相位δ1和δ2满足几何相位方程：其中，θ1和θ2分别为第一和第二发射角，σ1和σ2分别表示第一和第二超表面结构的光子自旋，对于左旋圆偏振LCP光和右旋圆偏振RCP光分别取+1和
‑
1，对应的光子自旋角动量分别为正约化普朗克常数和负约化普朗克常数根据动量方向控制方程和几何相位方程，纳米散射单元的位置是各向异性的；倾斜发射的LCP光和RCP光，动量方向控制方程的解为椭圆螺旋线，即纳米散射单元的位置按多圈椭圆螺旋线排列，各圈椭圆螺旋线共焦且焦点位于原点，LCP光和RCP光对应的多圈椭圆螺旋线的螺旋方向相反；正发射的LCP光和RCP光，动量方向控制方程的解为阿基米德螺旋线；在刻有第一和第二超表面结构的金属衬底上设置介质间隔层，用于消除单光子源在金属表面的荧光淬灭效应；在介质间隔层上放置单光子源，单光子源位于第一与第二超表面结构的多圈纳米散射单元之内；激发光斑照射至单光子源，使单光子源发射光子，激发金属表面的表面等离激元SPP，被激发的SPP均匀地沿金属衬底表面沿径向向各个方向传播；SPP遇到第一和第二超表面结构的纳米散射单元被散射形成散射光，各个纳米散射单元的位置矢量在设定的发射方向分别满足相长干涉条件，从而经所有第一超表面结构的纳米散射单元散射后的散射光沿第一超表面结构的设定的发射方向相干相长形成发射光斑，从而控制第一超表面结构的散射光的方向沿着第一超表面结构的设定的发射方向，并且经所有第二超表面结构的纳米散射单元散射后的散射光沿第二超表面结构的设定的发射方向相干相长形成发射光斑，从而控制第二超表面结构的散射光的方向沿着第二超表面结构的设定的发射方向，设定的发射方向对应光子的动量方向，从而通过分别设置第一和第二超表面结构的各个纳米散射单元的排布位置独立地控制第一和第二超表面结构的散射光的动量方向，并且动量方向与来自纳米散射单元的散射光相位相关；分别位于第一和第二超表面结构内的每一个纳米散射单元满
足第一和第二超表面各自的自旋角动量控制方程组，从一个纳米散射单元内的第一和第二纳米沟槽散射到远场的线偏振光在垂直于设定的发射方向的平面上的投影彼此正交并且具有相等的振幅，同时来自第一和第二纳米沟槽的散射光在设定的发射方向上具有
±
π/2的相位差，使得分别来自第一和第二超表面结构内的每一个纳米散射单元的散射光在第一和第二超表面结构设定的发射方向上具有各自相同的圆偏振，即具有相同的目标偏振状态，偏振状态对应光子的自旋角动量，从而通过分别设定第一和第二超表面结构的纳米散射单元内部结构独立地控制第一和第二超表面结构的散射光的自旋角动量，并且自旋角动量与来自纳米散射单元的散射光相位无关；第一和第二超表面结构的散射光最终沿着第一和第二超表面结构的各自设定的发射方向以圆偏振的自旋角动量传播到远场，实现双路的同时并独立控制动量方向和自旋角动量的单光子发射器。2.如权利要求1所述的双路自旋角动量和动量方向可控的单光子发射器，其特征在于，当第一或第二发射角θ1或θ2≤15
°
，自旋角动量控制方程组经过近似简化得到近似解析解：，自旋角动量控制方程组经过近似简化得到近似解析解：3.如权利要求1所述的双路自旋角动量和动量方向可控的单光子发射器，其特征在于，所述单光子源距离z轴...
【专利技术属性】
技术研发人员：李智，贾尚曈，薛泽洋，李永康，陈康垚，陈建军，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：
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