基于二维超材料的多通道涡旋光束产生器

涡旋光束因其螺旋相位波前,环状光强分布以及近乎无限的拓扑荷等特性而在光通信、光学微操纵、旋转物体探测等方面具有潜在的应用。与单通道涡旋光束产生器相比,多通道的涡旋光束产生器不仅能够在信息传输与存储中增强信息安全性与容量,在微粒捕获中一次性捕获大量粒子,而且能同时探测不同物体的运动特性。目前存在的多通道涡旋光束产生器件,例如达曼光栅、涡旋光栅、空间光调制器(SLM)等相位型的光学元件,虽然能够产生多通道的涡旋光束,但是它们产生的光束仍存在高阶衍射干扰、不同通道的能量不均匀,以及元件尺寸过大而不能集成在微纳芯片上等问题,从而令这些器件在应用过程中受到极大的局限。因此,一种能够使通道之间光能量均匀分布、无高阶衍射影响,尺寸在微纳量级的多通道涡旋光束产生器在光学以及纳光子学等领域具有重要的意义。

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中科院光电技术研究所微细加工与光学技术国家重点实验室罗先刚研究员团队利用二维超材料的振幅与位相调控功能设计并实验验证了一种通道之间光能量均匀分布、无高阶衍射影响,尺寸在微纳量级的极薄多通道涡旋光束产生器。相关结果发表在Advanced Materials Technologies (DOI:10.1002/admt.201600201)上。

二维超材料(又称超表面)是近年来出现的能够在亚波长尺寸内对光场位相、振幅、偏振等特性进行调控的人工材料,其振幅与位相调控的功能得益于单元结构形状与尺寸的变化。该研究团队将设计好的多通道涡旋光束的振幅与位相转化成单元结构的尺寸与旋转角,从而实现对涡旋光束振幅与相位的同时调控。与纯位相调控元件相比,该多通道涡旋光束产生器在尺寸上大大降低,其厚度约为入射波长的十分之一。振幅与位相的同时调控使得产生的涡旋光束免受高阶衍射干扰,通道之间的光能量分布相差不大。实验测试表明,对于二阶振幅与连续相位调控的多通道产生器,其产生的光束点阵能量均匀性为0.146(仿真结果为0.1),优于纯相位调控(0.46)。此外,利用超表面的振幅与位相调控功能还可以实现不同拓扑荷值以及特殊形状的拓扑荷点阵结构,从而进一步提高信息容量、粒子捕获以及运动探测能力。

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