高传输和转换效率的轨道角动量光束的产生方法及系统与流程

[0001]
本发明属于轨道角动量光束产生技术领域，尤其涉及一种高传输和转换效率的轨道角动量光束的产生方法及系统。


背景技术：

[0002]
目前，光束具有和偏振相关的自旋角动量，也可以携带与螺旋相位波前有关的轨道角动量，通常这种携带有确定轨道角动量的光束被称轨道角动量光束(或称为涡旋光束)，其光场包含相位因子其中l为拓扑荷数。近年来，光束的轨道角动量作为一种新的自由度，在光学微操控、超高精度成像(包括超分辨率显微镜)、光谱学、量子非线性、量子信息通信等领域展现出良好的应用前景。携带轨道角动量的涡旋光束为光束操控提供了更多自由度。
[0003]
传统的产生轨道角动量光束的主要方法是螺旋相位板，这是产生光学涡旋最直接的方法。使用一种透明材料，需要波长量级的高精度制作，以达到相位板的折射率和入射光束匹配。如果螺旋相位板的l不为整数时，就会产生非整数的涡旋光束，它的螺旋波前也不再连续。另一种是柱透镜模式转换器，是最早使用的方法。转换器一般由一组柱透镜组成，这是一种像散系统，可以把厄米-高斯光束转换成拉盖尔-高斯光束(轨道角动量光束)。这种方法的优点是可得到较高转换效率的拉盖尔-高斯光束，而缺点是转换系统较复杂，器件制作难度高(柱透镜)，另外，由于入射光束模式的固定性，从而较难灵活地产生不同模式的拉盖尔-高斯光束。还有一种是全息光栅，也可称为计算全息图或位错全息光删，可调制和产生多种复杂光束的单波长器件，可对径向p和角向l指数都进行调节，但是，全息图并不仅仅是一个相位片，在远场同时包含了光束的相位和强度信息。液晶空间光调制器的广泛使用更使得全息光栅如鱼得水，其便捷性得到了很大的提升，只要通过计算机软件的控制就可很方便的实现对光的调制，实现各种类型的光束，但是液晶空间光调制器产生的效率低(衍射级次多)，像素也低。
[0004]
目前还没有有效的方法产生高质量的轨道角动量光束。上述这些技术方法都存在种种缺点，特别是由于纳米技术和光子学的快速发展，对于发展一种适应于当前集成光子器件的轨道角动量产生技术是非常重要的。所以大尺度光学元件的传统技术方法已不能适应于未来集成光子器件。人工电磁超表面(metasurface)的出现为光束轨道角动量的产生和操控提供了一种新的可能。超表面是一种由超常材料结构单元(周期结构或非均匀结构)构造的超薄(波长的几分之一)二维阵列平面，可以对电磁波相位、极化方式、传播模式等特性实现灵活而有效的调控。超表面具有丰富独特的物理特性，其对电磁波(反射和透射)灵活的调控能力使之在隐身技术、天线技术、微波和太赫兹器件、光电子器件等诸多领域具有重要的应用前景。超表面的电磁性质既与组成结构的物质成分有关，又与微结构单元的形状、方向、大小等因素有关，这为设计一种适用于集成光子系统的平面光子器件提供了可能。但是由于金属表面等离子体的损耗和现有微纳制作技术的限制，使得基于金属结构的超表面材料的实际应用面临诸多挑战。迄今为止，基于金属纳米天线结构的透射式超表面
均由于金属的电阻损耗，光束转换效率极低，无法直接级联使用。基于等离子体超表面的轨道角动量光束产生也受转换效率的影响，不能在集成光路中使用。因此，亟需一种新的高传输和转换效率的轨道角动量光束的产生方法。
[0005]
综上所述，现有技术存在的问题是：(1)常规的方法存在价格昂贵、装置复杂、涡旋光场质量差、不能在亚波长尺度调控光的相位与偏振。
[0006]
(2)现有柱透镜模式转换器的转换系统较复杂，器件制作难度高(柱透镜)，另外，由于入射光束模式的固定性，从而较难灵活地产生不同模式的拉盖尔-高斯光束。
[0007]
(3)目前还没有有效的方法产生高质量的轨道角动量光束。现有液晶空间光调制器产生的效率低(衍射级次多)，像素也低。大尺度光学元件的传统技术方法已不能适应于未来集成光子器件。
[0008]
(4)基于金属纳米天线结构的透射式超表面均由于金属的电阻损耗，光束转换效率极低，无法直接级联使用。基于等离子体超表面的轨道角动量光束产生也受转换效率的影响，不能在集成光路中使用。
[0009]
解决上述技术问题的难度：相比于传统光学元件，超表面可以实现功能定制、多功能集成和实时的外参数调控等功能。获得宽频段、多功能、可调节、可集成的超表面成为功能器件研究的热点之一。而电介质超表面避免金属等离子结构在产生和调制光场过程中的过大损耗问题，是实际应用的重要突破方向。
[0010]
解决上述技术问题的意义：本发明超表面的为发展特定界面的设计和实现提供可行方案，是实现复杂涡旋光场产生的重要手段。金属结构超表面，其微结构单元与几何参数(方向、长度、宽度、厚度等)具有一定相关的光学响应。按照超表面功能实现的要求，调整其结构单元的局部几何参数便可获得相应的功能元件。应用在矢量涡旋光束产生、超薄光学透镜、全息成像等方面。


技术实现要素：

[0011]
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种高传输和转换效率的轨道角动量光束的产生方法及系统。
[0012]
本发明是这样实现的，一种高传输和转换效率的轨道角动量光束的产生方法，所述高传输和转换效率的轨道角动量光束的产生方法为：
[0013]
利用电介质超表面产生高效率的轨道角动量光束并对其不同轨道角动量态进行调控。
[0014]
针对电介质超表面的功能可定制性，本发明可以设计不同轨道角动量态对应的结构单元的局部几何参数的功能器件，从而可以实现产生具有不同轨道角动量的涡旋光束，这样可以实现调控。
[0015]
进一步，利用电介质超表面产生高效率的轨道角动量光束并对其不同轨道角动量态进行调控的方法包括：
[0016]
假设各向异性介质在光的传播方向上具有均匀的相位延迟，在横向平面内，不同光轴方向(快轴和慢轴)的单轴晶体按一定规则排列，局部的光轴方向表示为式中α0为常量表示局部光轴方向与局部径向的夹角；
表示局部径向与x轴的夹角：q为整数或半整数，用来描述超表面结构的空间旋转率。光轴方向是空间变化的，但其相移φ是空间均匀的，表示为φ＝2π(n
e-n
o
)d/λ。其中n
e
、n
o
、d和λ分别表示慢轴、快轴的折射率、厚度和波长。
[0017]
对于一个快轴在x方向的单轴晶体，可以用jones矩阵来描述光垂直入射的传输性质：
[0018][0019]
其中t
x
、t
y
分别为x、y方向上的传输系数。电介质超表面对光的损耗忽略，令t
x
＝t
y
＝1。而一个超表面是由大量具有空间变化的光轴方向的单轴晶体构成，这类几何相位光学元件的光传输性质矩阵为：
[0020][0021]
其中m(α)为坐标旋转矩阵光轴方向与x方向成夹角α。
[0022]
任意线偏振的高斯光束通过超表面后的输出电场分别由两个圆偏振光的相干叠加组成，而其中每个圆偏振光部分由一个常量部分和一个携带贝里几何相的部分组成。贝里几何相的产生来源于自旋-轨道相互作用：光束通过超表面能够将圆偏振光转换为带有(q为整数或半整数的拓扑荷数)的轨道角动量且具有与入射偏振手性相反的圆偏振光，在这个过程中角动量守恒，超表面只是充当了自旋和轨道角动量转换的中介，其本身不吸收和不产生角动量。而且此过程的角动量转换效率取决于相移φ(与超表面的厚度，波长和快、慢轴的折射率有关)，即sin2(φ/2)比例的光子参与角动量转换，cos2(φ/2)比例的光子保持自旋和轨道角动量不变。那么，本发明可以设计超表面的q值来实现不同轨道角动量态的调控，同时通过设计超表面的厚度，快、慢轴的折射率，以及入射光波长来实现相位参数φ的调控，从而实现高效率的轨道角动量光束转换。
[0023]
本发明的另一目的在于提供一种应用所述高传输和转换效率的轨道角动量光束的产生方法的高传输和转换效率的轨道角动量光束的产生系统，所述高传输和转换效率的轨道角动量光束的产生系统包括：
[0024]
主要有三个模块：光源产生和控制模块、超表面模块(要灵活的插取和更换)，偏振光束的检测模块。其中最重要的就是超表面模块，它是实现高阶轨道庞加莱光束的偏振态演化的核心模块，其光场中偏振态的连续演变是几何相位产生的基础。不仅要实现灵活的插取和更换，还需要增减半波片和四分之一波片来实现线偏振到圆偏振的所有基本偏振态的入射和出射调控。
[0025]
光源产生和控制模块由宽带光源、光强调节器、波长选择器产生特定高斯光束；
[0026]
超表面模块由超表面、一个半波片、一个四分之一波片组成产生和调控实现轨道角动量光束的偏振态的任意演化。
[0027]
偏振光束的检测模块由一个格兰激光偏振器、一个四分之一波片、和一个光强探测器组成。通过测量光束的斯托克斯参数，从而反演偏振态分布来直观地反映矢量偏振态
的演化过程。
[0028]
进一步，所述高传输和转换效率的轨道角动量光束的产生系统还包括：脉冲生成模块、循环光路生成模块、光束校准模块、涡旋光束生成模块、光路控制模块；
[0029]
所述脉冲生成模块利用脉冲半导体激光器来产生高斯光束；
[0030]
所述循环光路生成模块由三个二向色镜和一个偏振分光棱镜构成，用于构成循环光路；
[0031]
所述光束校准模块：用于通过光束校准装置进行光束校准；
[0032]
所述涡旋光束生成模块由螺旋相位板构成，用于将高斯光束转换为具有轨道角动量态的涡旋光束，每经过一次螺旋相位板，出射光束的拓扑荷数将升高一阶；
[0033]
所述光路控制模块：用于通过光路控制器控制脉冲信号的循环与输出。
[0034]
进一步，所述脉冲生成模块包括：
[0035]
所述脉冲生成模块利用脉冲半导体激光器产生高斯光束；
[0036]
所述脉冲半导体激光器包括：激光器外壳、驱动器和多个激光器单元；每一个激光器单元包括一个三极管、一个高压电容和多个激光器芯片，各个激光器单元的三极管和高压电容均设置在驱动器上，所述驱动器设置在所述激光器外壳上；
[0037]
各个激光器单元的三极管的栅极分别输入激光控制信号，各个激光器单元的三极管的漏极分别与对应的激光器芯片组的负极连接，各个激光器单元的三极管的源极和对应的高压电容的第一连接端连接，各个激光器单元的高压电容的第二连接端和对应的激光器芯片的正极连接，所述高压电容的第二连接端接入高压电源。
[0038]
进一步，所述光束校准装置包括：利用光束校准装置进行光束校准；所述光束校准装置包括两个可调整相对位置间距和角度的楔角棱镜，用于利用两个楔角棱镜进行光束校准。
[0039]
进一步，所述涡旋光束生成模块包括：螺旋相位板spp，所述螺旋相位板spp是一块折射率固定的透明板，两侧的表面结构分别为平面和螺旋相位面，螺旋相位板spp的厚度与角向方位角成正比；
[0040]
当高斯光通过所述螺旋相位板spp时，spp的螺旋形表面使透射光束光程变化不同，引起的相位改变量也不同，光束的拓扑荷数升高一阶，透射光束变为涡旋光束。
[0041]
进一步，所述光路控制模块包括：
[0042]
所述光路控制模块利用光路控制器控制脉冲信号的循环与输出；
[0043]
所述光路控制器包括光路控制装置以及形成于所述光路控制装置上的若干反射折射面；若干入射光束以预定角度和预定间距入射至所述若干反射折射面，并经过所述若干反射折射面折射及/或反射后从所述光路控制装置中出射，从所述光路控制装置中出射的若干出射光束分别会聚至预定位置并在会聚至预定位置时相互间具有预定间距。
[0044]
进一步，所述反射折射面包括对光线进行会聚和折射的折射型曲面及与所述折射型曲面相对设置对光线进行会聚的会聚面，每一入射光束依次透过所述折射型曲面及对应的会聚面而于预定位置处会聚成一光点。
[0045]
本发明的另一目的在于提供一种存储在计算机可读介质上的计算机程序产品，包括计算机可读程序，供于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施所述高传输和转换效率的轨道角动量光束的产生方法。
[0046]
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行所述的高传输和转换效率的轨道角动量光束的产生方法。
[0047]
综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明从理论和实验两方面研究基于超表面有效产生高质量的轨道角动量光束的方法，人工设计二维的电介质超表面调控产生高效率的具有不同轨道角动量态的光束。在入射光束波长633nm情况下，传输效率达到50％以上，转换效率达到90％以上，为操控光子的自旋和轨道角动量提供有效的手段，为下一步发展光子学和平面光学的应用方向奠定基础。轨道角动量光束的产生和控制，光学微操控、原子光学、非线性光学、量子信息等领域广泛的应用，并展示出更多潜在的应用前景。毫无疑问，对于轨道角动量光束的基本原理和物理本质的研究和探索具有重要意义。
附图说明
[0048]
图1是本发明实施例提供的高传输和转换效率的轨道角动量光束的产生系统结构示意图；
[0049]
图中：1、超表面模块；2、光源产生和控制模块；3、偏振光束的检测模块；4、脉冲生成模块；5、循环光路生成模块；6、光束校准模块；7、涡旋光束生成模块；8、光路控制模块。
具体实施方式
[0050]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0051]
现有柱透镜模式转换器的转换系统较复杂，器件制作难度高(柱透镜)，另外，由于入射光束模式的固定性，从而较难灵活地产生不同模式的拉盖尔-高斯光束。目前还没有有效的方法产生高质量的轨道角动量光束。现有液晶空间光调制器产生的效率低(衍射级次多)，像素也低。大尺度光学元件的传统技术方法已不能适应于未来集成光子器件。基于金属纳米天线结构的透射式超表面均由于金属的电阻损耗，光束转换效率极低，无法直接级联使用。基于等离子体超表面的轨道角动量光束产生也受转换效率的影响，不能在集成光路中使用。
[0052]
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种高传输和转换效率的轨道角动量光束的产生方法及系统，下面结合附图对本发明作详细的描述。
[0053]
本发明实施例提供的高传输和转换效率的轨道角动量光束的产生方法为：
[0054]
利用电介质超表面产生高效率的轨道角动量光束并对其不同轨道角动量态进行调控。
[0055]
针对电介质超表面的功能可定制性，本发明可以设计不同轨道角动量态对应的结构单元的局部几何参数的功能器件，从而可以实现产生具有不同轨道角动量的涡旋光束，这样可以实现调控。
[0056]
本发明实施例提供的调控产生高效率的具有不同轨道角动量态的光束的方法为：
[0057]
假设各向异性介质在光的传播方向上具有均匀的相位延迟，在横向平面内，不同光轴方向(快轴和慢轴)的单轴晶体按一定规则排列，局部的光轴方向表示为式中α0为常量表示局部光轴方向与局部径向的夹角；
表示局部径向与x轴的夹角：q为整数或半整数，用来描述超表面结构的空间旋转率。光轴方向是空间变化的，但其相移φ是空间均匀的，表示为φ＝2π(n
e-n
o
)d/λ。其中n
e
、n
o
、d和λ分别表示慢轴、快轴的折射率、厚度和波长。
[0058]
对于一个快轴在x方向的单轴晶体，可以用jones矩阵来描述光垂直入射的传输性质：
[0059][0060]
其中t
x
、t
y
分别为x、y方向上的传输系数。电介质超表面对光的损耗忽略，令t
x
＝t
y
＝1。而一个超表面是由大量具有空间变化的光轴方向的单轴晶体构成，这类几何相位光学元件的光传输性质矩阵为：
[0061][0062]
其中m(α)为坐标旋转矩阵光轴方向与x方向成夹角α。
[0063]
任意线偏振的高斯光束通过超表面后的输出电场分别由两个圆偏振光的相干叠加组成，而其中每个圆偏振光部分由一个常量部分和一个携带贝里几何相的部分组成。贝里几何相的产生来源于自旋-轨道相互作用：光束通过超表面能够将圆偏振光转换为带有(q为整数或半整数的拓扑荷数)的轨道角动量且具有与入射偏振手性相反的圆偏振光，在这个过程中角动量守恒，超表面只是充当了自旋和轨道角动量转换的中介，其本身不吸收和不产生角动量。而且此过程的角动量转换效率取决于相移φ(与超表面的厚度，波长和快、慢轴的折射率有关)，即sin2(φ/2)比例的光子参与角动量转换，cos2(φ/2)比例的光子保持自旋和轨道角动量不变。那么，本发明可以设计超表面的q值来实现不同轨道角动量态的调控，同时通过设计超表面的厚度，快、慢轴的折射率，以及入射光波长来实现相位参数φ的调控，从而实现高效率的轨道角动量光束转换。
[0064]
如图1所示，本发明实施例提供的高传输和转换效率的轨道角动量光束的产生系统包括：
[0065]
超表面模块1，由超表面、半波片、四分之一波片组成，产生和调控实现轨道角动量光束的偏振态的任意演化；光场中偏振态的连续演变用于几何相位的产生；通过灵活的插取、更换以及增减半波片和四分之一波片进行线偏振到圆偏振的所有基本偏振态的入射和出射调控。
[0066]
光源产生和控制模块2，由宽带光源、光强调节器、波长选择器产生特定高斯光束；
[0067]
偏振光束的检测模块3，由格兰激光偏振器、四分之一波片和光强探测器组成；通过测量光束的斯托克斯参数，反演偏振态分布来反映矢量偏振态的演化过程。
[0068]
脉冲生成模块4，利用脉冲半导体激光器来产生高斯光束。
[0069]
循环光路生成模块5，由三个二向色镜和一个偏振分光棱镜构成，用于构成循环光路。
[0070]
光束校准模块6，用于通过光束校准装置进行光束校准。
[0071]
涡旋光束生成模块7，由螺旋相位板构成，用于将高斯光束转换为具有轨道角动量态的涡旋光束，每经过一次螺旋相位板，出射光束的拓扑荷数将升高一阶。
[0072]
光路控制模块8，用于通过光路控制器控制脉冲信号的循环与输出。
[0073]
本发明实施例提供的脉冲生成模块1包括：
[0074]
所述脉冲生成模块利用脉冲半导体激光器产生高斯光束。
[0075]
所述脉冲半导体激光器包括：激光器外壳、驱动器和多个激光器单元；每一个激光器单元包括一个三极管、一个高压电容和多个激光器芯片，各个激光器单元的三极管和高压电容均设置在驱动器上，所述驱动器设置在所述激光器外壳上。
[0076]
各个激光器单元的三极管的栅极分别输入激光控制信号，各个激光器单元的三极管的漏极分别与对应的激光器芯片组的负极连接，各个激光器单元的三极管的源极和对应的高压电容的第一连接端连接，各个激光器单元的高压电容的第二连接端和对应的激光器芯片的正极连接，所述高压电容的第二连接端接入高压电源。
[0077]
本发明实施例提供的光束校准模块3包括：利用光束校准装置进行光束校准；所述光束校准装置包括两个可调整相对位置间距和角度的楔角棱镜，用于利用两个楔角棱镜进行光束校准。
[0078]
本发明实施例提供的涡旋光束生成模块4包括：螺旋相位板spp，所述螺旋相位板spp是一块折射率固定的透明板，两侧的表面结构分别为平面和螺旋相位面，螺旋相位板spp的厚度与角向方位角成正比。
[0079]
当高斯光通过所述螺旋相位板spp时，spp的螺旋形表面使透射光束光程变化不同，引起的相位改变量也不同，光束的拓扑荷数升高一阶，透射光束变为涡旋光束。
[0080]
本发明实施例提供的光路控制模块5包括：
[0081]
所述光路控制模块5利用光路控制器控制脉冲信号的循环与输出。
[0082]
所述光路控制器包括光路控制装置以及形成于所述光路控制装置上的若干反射折射面；若干入射光束以预定角度和预定间距入射至所述若干反射折射面，并经过所述若干反射折射面折射及/或反射后从所述光路控制装置中出射，从所述光路控制装置中出射的若干出射光束分别会聚至预定位置并在会聚至预定位置时相互间具有预定间距。
[0083]
本发明实施例提供的反射折射面包括对光线进行会聚和折射的折射型曲面及与所述折射型曲面相对设置对光线进行会聚的会聚面，每一入射光束依次透过所述折射型曲面及对应的会聚面而于预定位置处会聚成一光点。
[0084]
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(dsl)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介
质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，dvd)、或者半导体介质(例如固态硬盘solid state disk(ssd))等。
[0085]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。