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湖南大学:产生混合阶庞加莱球上的任意矢量涡旋光束

2017-02-17 09:28
小鱼时代
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湖南大学物理与电子学院罗海陆教授课题组采用电介质q片和螺旋相位片的组合产生了混合阶庞加莱球上任意点的矢量涡旋光束。这一方案有望实现多个具有不同功能的光学元件的集成,在未来的光子学与光电子学中将会有重要的应用。

矢量涡旋光束是指在光束横截面上同时具有非均匀偏振态和螺旋相位结构的新型激光光束,它在激光加工、粒子操控、量子信息等方面有着重要的应用前景。与矢量光束或者涡旋光束相比,矢量涡旋光束在光与物质相互作用中具有更多的自由度。

目前,利用空间光调制器、基于液晶的偏振转换器、激光谐振腔等都已能够产生矢量涡旋光束。然而,这些方法所产生的光束通常只限于特定的偏振态,且具有低损伤阈值、低转换效率和大结构尺寸等缺点。因此,为了使矢量涡旋光束得到更加广泛的应用,需要找到一种高效率、更灵活、结构紧凑的产生方法。

图 一个矢量涡旋光束可以分解成一个矢量偏振和一个涡旋相位(如第一行所示)。矢量偏振可以用一块电介质q片产生而涡旋相位可以通过螺旋相位片来实现(对应于第二行)。将q片结构集成到螺旋相位片上,即可形成产生矢量涡旋光束的集成器件。

为克服上述方法存在的问题,湖南大学物理与电子学院罗海陆教授领导的自旋光子学课题组采用电介质q片和螺旋相位片的组合来产生混合阶庞加莱球上任意点的矢量涡旋光束,相关研究成果发表在Photonics Research 2017年第5卷第1期上(Z. Liu, et al., Generation of arbitrary vector vortex beams on hybrid-order Poincaré sphere)。

混合阶庞加莱球用于描述任意矢量涡旋光束,可以让其偏振与相位演化的物理过程变得更加直观。基于混合阶庞加莱球理论,任意的矢量涡旋光束可以分解成一个矢量光束和一个涡旋相因子。其中,矢量光束可以用一块电介质q片产生而涡旋相因子可以通过螺旋相位片来实现。通过控制入射光的偏振态,即可得到混合阶庞加莱球上相应点的矢量涡旋光束。

这一方案的一个重要特点是q片的结构与螺旋相位片均可制作在二氧化硅玻璃基底上,因此完全可以将两个结构集成在单个玻片上。该课题组罗海陆教授认为,这一方案可以实现在一块玻璃片上集成多个具有不同功能的光学元件,在未来的光子学与光电子学中将会有重要的应用。后续工作主要是实现系统的集成化,进一步提升操控光的偏振与相位的能力。

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