基于微納結(jié)構(gòu)的光子軌道角動量復(fù)用及檢測進(jìn)展

歐陽旭,張明偲,楊清帥,曹耀宇,徐毅,李向平?

(1暨南大學(xué)光子技術(shù)研究院,廣東省光纖傳感與通信技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗室,廣東 廣州 511436;2廣東工業(yè)大學(xué)先進(jìn)光子技術(shù)研究院,廣東 廣州 510006)

0 引言

1992年,Allen等[1]認(rèn)識到光子可以攜帶軌道角動量(OAM)。OAM光束又被稱為“渦旋光束”,表現(xiàn)為eilφ的螺旋形波前相位分布,其中:l為拓?fù)浜蓴?shù),可以取任意整數(shù);φ為空間上的方位角。OAM光束在螺旋位相中心處由于相位的不確定性,從而產(chǎn)生強(qiáng)度為零的相位奇點(diǎn)[2-8],且中心暗點(diǎn)的大小隨著拓?fù)浜山^對值的增加而增大。OAM光束因其獨(dú)特的光場強(qiáng)度分布特性,在超分辨成像[9-13]、顆粒捕獲[14-18]、激光加工[19-23]、量子技術(shù)[24-29]等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。

光是一種優(yōu)秀的信息載體,其波長[30-34]、偏振[35-41]、振幅[42-45]等物理維度均可作為信息的載體建立正交的數(shù)據(jù)通道,通過物理維度復(fù)用技術(shù)可以提高光子攜帶信息的容量和安全性。隨著光信息技術(shù)的快速發(fā)展,現(xiàn)有的數(shù)據(jù)編碼幾乎耗盡了現(xiàn)有的波長、偏振、振幅等物理維度,需要探尋新的物理維度以增加信息復(fù)用的通道數(shù)。對于在空間中呈螺旋相位分布的“渦旋光束”,其攜帶的OAM可作為新的物理維度,與波長、偏振等物理維度結(jié)合而實(shí)現(xiàn)更高物理維度的復(fù)用。不同拓?fù)浜傻腛AM光束彼此都是正交的,因此OAM維度理論上可以隨著拓?fù)浜蒷的取值具有無窮的容量,可以極大地提高信息的容量[46-74]。

Barreiro等[55]利用自旋和軌道角動量中同時糾纏的光子對輔助Bell態(tài)的測量,打破傳統(tǒng)線性密集編碼信道的容量極限。Wang等[56]發(fā)展了基于自由空間OAM光束的信息復(fù)用傳輸技術(shù),演示了OAM作為光信息載體的可行性,實(shí)現(xiàn)了Tbit/s的傳輸容量。Yan等[57]將基于OAM的通信技術(shù)擴(kuò)展到毫米波。然而由于自由空間信息傳輸受限于環(huán)境因素等,導(dǎo)致其傳輸距離受到限制。Bozinovic等[58]通過設(shè)計折射率漸變光纖,使其支持OAM模式,從而在光纖中實(shí)現(xiàn)OAM光束的通信,將OAM復(fù)用結(jié)構(gòu)從宏觀尺度縮小至微米尺度。結(jié)構(gòu)尺寸減小,OAM復(fù)用所攜帶的信息密度將增加,波長量級的OAM復(fù)用主要受限于結(jié)構(gòu)的尺寸與形貌,需要其支持OAM模式的響應(yīng)。Ren等[59]通過設(shè)計納米環(huán)結(jié)構(gòu)使其支持軌道角動量模式,將OAM復(fù)用光信息器件的尺度推進(jìn)至波長量級。Ouyang等[60]對緊聚焦OAM光束的聚焦特性進(jìn)行深入研究,將OAM光束的復(fù)用結(jié)構(gòu)擴(kuò)展至亞波長量級。OAM復(fù)用的編碼與解碼也離不開對OAM光束的探測,可以使用干涉法、模式轉(zhuǎn)換、等離激元微器件、幾何坐標(biāo)變換等[75-78]實(shí)現(xiàn)對OAM光束拓?fù)浜傻奶綔y。干涉法需要一路參考光束與OAM光束干涉,通過干涉之后的條紋數(shù)目判斷OAM光束的拓?fù)浜?。Wen等[76]使用幾何坐標(biāo)變換方案對OAM光束進(jìn)行螺旋變換,將采集到的螺旋線轉(zhuǎn)換為平行線,獲得了高分辨率的OAM模式測量。然而這些方法需要復(fù)雜的光路或者衍射光學(xué)元件,并不適合納米尺度的OAM光束探測。Yue等[77]在可兼容CMOS的拓?fù)浣^緣體材料中設(shè)計半圓環(huán)結(jié)構(gòu)將軌道角動量轉(zhuǎn)為分布在不同空間位置的表面等離激元模式,實(shí)現(xiàn)納米尺度OAM光束探測。但該方法只能測量特定拓?fù)浜傻腛AM光束。Zhang等[78]提出了一種自干涉方法,讓OAM光束與納米結(jié)構(gòu)散射光相互干涉,無需參考光即可實(shí)現(xiàn)納米尺度的OAM光束任意拓?fù)浜商綔y。

結(jié)構(gòu)的空間尺度對信息容量的影響也至關(guān)重要,物理維度通道數(shù)目相同時,結(jié)構(gòu)尺度越小攜帶的信息密度越大。本文圍繞本課題組在納米尺度OAM光束應(yīng)用研究方面的工作展開討論,介紹了納米結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的多維OAM光信息復(fù)用和編碼技術(shù)以及納米尺度下的OAM檢測技術(shù),最后探討了納米尺度的OAM復(fù)用面臨的問題與挑戰(zhàn),并對物理維度的擴(kuò)展進(jìn)行展望。

1 亞波長尺度軌道角動量復(fù)用技術(shù)

信息復(fù)用的維度通常包括結(jié)構(gòu)的空間維度和光的物理維度,物理維度的復(fù)用可以極大提高信息的容量,但結(jié)構(gòu)的空間尺度也會限制信息的容量,因此結(jié)構(gòu)的小型化有利于進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)的容量。下面簡要介紹利用光的軌道角動量、波長、偏振作為信息載體在納米結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)信息處理、編碼解碼以及加密的相應(yīng)技術(shù)。

1.1 軌道角動量復(fù)用信息處理技術(shù)

光子角動量的拓?fù)浜蛇M(jìn)行編碼和解碼可應(yīng)用于片上光信息復(fù)用,能夠極大地提高信息傳輸和處理的容量。然而納米尺度的OAM復(fù)用受限于納米結(jié)構(gòu),納米結(jié)構(gòu)對光的響應(yīng)依賴于其幾何尺寸與形狀所支持的局域模式,通常僅支持偏振和波長響應(yīng),難以實(shí)現(xiàn)對光的角動量及空間頻率等高階模式的響應(yīng)。2016年,Ren等[59]利用特殊設(shè)計的納米結(jié)構(gòu)率先實(shí)現(xiàn)了納米尺度的光子軌道角動量和自旋角動量模式編碼和解碼。

圖1為片上光子芯片的角動量(AM)復(fù)用示意圖,圖1(a)為四種軌道角動量和自旋角動量疊加的模式,分別為AM1:l0=-4,s=-1;AM2:l0=-2,s=-1;AM3:l0=+2,s=+1;AM4:l0=+4,s=+1。其中l(wèi)0代表軌道角動量的拓?fù)浜?s代表自旋角動量(+1和-1分別代表左旋和右旋圓偏振)。圖1(b)為單元結(jié)構(gòu)的示意圖,由圓形納米凹槽和不同空間位移的納米環(huán)組成。納米凹槽結(jié)構(gòu)將光子攜帶的AM模式轉(zhuǎn)換成表面等離激元模式,并且不同的AM模式激發(fā)的表面等離激元模式空間位置產(chǎn)生差異,進(jìn)而選擇性通過納米狹縫。納米環(huán)支持的AM模式為非諧振特性,使其在可見光的透過率保持平穩(wěn),為寬帶OAM光束復(fù)用奠定了基礎(chǔ)。如圖1(c),單元結(jié)構(gòu)可以支持四種寬帶的AM模式,因此可實(shí)現(xiàn)寬帶的角動量信息復(fù)用。將單元結(jié)構(gòu)組成周期陣列結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對信息的并行處理,根據(jù)單元結(jié)構(gòu)中表面等離激元模式的空間位置分布差異,可對不同的AM模式解碼。圖1(d)為大面積的多路復(fù)用芯片的電子顯微鏡圖像。圖1(e)為AM1、AM2、AM3和AM4四個AM模式以及三個不同波長編碼圖像之后解碼的實(shí)驗結(jié)果。該技術(shù)與基于波長的片上解碼技術(shù)相比增加了4路AM復(fù)用通道,其解碼信息密度至少可以提高4倍以上,有望為數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)加密等領(lǐng)域提供研究基礎(chǔ)。

圖1 片上寬帶角動量復(fù)用的原理和實(shí)驗結(jié)果。(a)四個由軌道角動量與自旋角動量組合的AM態(tài),l0=-4,s=-1(AM1),l0=-2,s=-1(AM2),l0=+2,s=+1(AM3)和l0=+4,s=+1(AM4)同軸疊加的OAM態(tài)(l0和s分別為OAM光束的拓?fù)浜梢约白笮陀倚龍A偏振);(b)納米溝槽和環(huán)形狹縫組成的單元結(jié)構(gòu)示意圖;(c)結(jié)構(gòu)對不同AM模式的選擇性透過原理;(d)由單元結(jié)構(gòu)組成的陣列結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微鏡圖像;(e)多路AM模式解碼后的實(shí)驗結(jié)果[59]Fig.1 Principle and experimental results of on-chip broadband angular momentum multiplexing.(a)Four AM states consisting of a combination of orbital angular momentum and spin angular momentum,l0=-4,s=-1(AM1),l0=-2,s=-1(AM2),l0=+2,s=+1(AM3)and l0=+4,s=+1(AM4)coaxially superposed OAM states(l0and s represent the topological charges of the OAM beam as well as the left(+1)and right(-1)circularly polarized,respectively);(b)Schematic diagram of the structure consisting of nano-grooves and nano-ring slits;(c)Principle of selective transmission of the structure for different AM modes;(d)Scanning electron microscope image of the array structure;(e)Experimental results after decoding of multiplexed AM modes[59]

1.2 六維軌道角動量復(fù)用光信息編碼技術(shù)

OAM光束尺寸縮小至波長量級時通常需要物鏡將其緊聚焦,使其可受納米結(jié)構(gòu)調(diào)控。研究者通常關(guān)注焦平面的相位、強(qiáng)度、以及其矢量特性的分布,而遠(yuǎn)焦區(qū)域的分布特性容易被忽略。實(shí)際的納米結(jié)構(gòu)具有深度、高度等,呈現(xiàn)三維形貌分布,因此研究OAM緊聚焦的三維光場分布特性對實(shí)現(xiàn)亞波長尺度下的OAM復(fù)用也至關(guān)重要。Ouyang等[60]研究發(fā)現(xiàn)在非傍軸聚焦條件下,OAM光束沿傳輸方向的偏振橢圓長軸朝向和拓?fù)浜删哂幸蕾囮P(guān)系,因此各向異性的納米顆粒在非焦點(diǎn)中心處將產(chǎn)生吸收差異,從而形成螺旋二色性(HD)。利用這一機(jī)制,使用自組裝強(qiáng)耦合的等離子體納米聚合體放大其HD,實(shí)現(xiàn)了空間三維、波長、偏振、軌道角動量六維光信息復(fù)用技術(shù)。

亞波長尺度的OAM光束與納米顆粒的作用機(jī)制如圖2所示,使用理查德沃夫矢量衍射理論[79]計算OAM光束的聚焦特性,圖2(a)為X-Z平面的偏振橢圓分布,可以看出不同拓?fù)浜?l=±1)偏振橢圓的長軸朝向具有差異,因此各向異性的金納米棒在不同拓?fù)浜?l=±1)的OAM光束激勵下,當(dāng)金納米棒的長軸方向與偏振橢圓的長軸匹配時其吸收將達(dá)到最大,進(jìn)而導(dǎo)致金納米棒的電場強(qiáng)度分布[圖2(b)]和金納米棒吸收曲線[圖2(c)]產(chǎn)生差異。然而對于單個深亞波長的金納米棒其吸收差異非常微弱,可進(jìn)一步使用自組裝強(qiáng)耦合的金納米棒樣品,利用金納米棒之間的耦合形成的電磁能量熱點(diǎn)放大HD,使其實(shí)驗可測。圖2(d)為簡化物理模型在拓?fù)浜?l=±1)的OAM光束激勵下的電場強(qiáng)度分布,可以看到不同拓?fù)浜杉钕缕潆姶拍芰繜狳c(diǎn)的空間位置分布不一樣,數(shù)據(jù)編碼解碼時可使用高能量的激光融化熱點(diǎn)附近金納米棒使其耦合強(qiáng)度降低,進(jìn)一步導(dǎo)致低能量激光激發(fā)的雙光子熒光強(qiáng)度降低,故可編碼為“0”,編碼數(shù)據(jù)“1”時則不用激光作用于納米顆粒,使納米顆粒之間的耦合強(qiáng)度保持不變。從圖2(e)的計算結(jié)果可知,在結(jié)構(gòu)共振峰處的HD隨著金納米棒之間的耦合強(qiáng)度增加呈指數(shù)增長。圖2(f)為結(jié)構(gòu)內(nèi)部的HD分布,正負(fù)HD的最大值具有空間位置分布差異。

圖2 OAM光束與納米顆粒作用的物理機(jī)制。(a)在給定的X-Z平面上,相反拓?fù)浜傻木劢筄AM光束(l=±1)引起了局域偏振橢圓的明顯旋轉(zhuǎn);在拓?fù)浜蔀閘=±1緊聚焦OAM光束激勵下,金納米棒的電場強(qiáng)度分布(b)和線性吸收曲線(c);(d)強(qiáng)耦合金納米棒模型在拓?fù)浜蔀閘=±1的OAM光束激發(fā)下的電場強(qiáng)度分布;(e)不同耦合強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)HD的相關(guān)性;(f)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的HD分布[60]Fig.2 The mechanism of OAM beam interaction with nanoparticles.(a)The focused OAM beam of opposite topological charge(l=±1)induces a significant rotation of the local polarization ellipse in a given X-Z plane;(b)Calculated electric field intensity distribution and(c)linear absorption of gold nanorods under topological charge l=±1 tightly focused OAM beam excitation;(d)Electric field intensity distribution of a strongly coupled gold nanorod model excited by an OAM beam with a topological charge of l= ±1;(e)Correlation of different coupling strengths with the HD of the structure;(f)HD distribution inside the structure[60]

自組裝強(qiáng)耦合金納米棒樣品在單個焦點(diǎn)體積內(nèi)的數(shù)量有成千上萬根,焦點(diǎn)內(nèi)金納米棒之間的耦合方式具有多樣性,使其可以同時支持軌道角動量、偏振、波長的響應(yīng),并且樣品為空間三維分布,因此可實(shí)現(xiàn)六維光信息復(fù)用和加密。圖3(a)、(b)為對數(shù)據(jù)加密的實(shí)驗結(jié)果,使用拓?fù)浜蔀閘=-1的OAM光束記錄數(shù)據(jù)之后,只有對應(yīng)拓?fù)浜傻腛AM光束才能讀取正確的信息,可實(shí)現(xiàn)六個維度對信息加密。圖3(c)～(e)為六維光信息復(fù)用的實(shí)驗結(jié)果,實(shí)現(xiàn)了十六路(四個OAM態(tài)、兩個波長以及兩個線偏振)信息在同一區(qū)域復(fù)用。

圖3 六維光學(xué)信息加密編碼。(a)自組裝金納米棒樣品解碼之后的結(jié)果,二維碼大小為32μm×32μm(像素點(diǎn)為27×27);(b)相似度S評估光束的拓?fù)浜伞⒉ㄩL、偏振和Z位置的組合態(tài)解碼之后的結(jié)果;(c)同一空間區(qū)域內(nèi)16個納米二維碼復(fù)用解復(fù)用實(shí)驗結(jié)果,四個OAM(-l1=l2=1和-l3=l4=3),兩個波長(λ1=800 nm和λ2=860 nm)和兩個線性偏振;(d)六維光學(xué)信息加密編碼的示意圖;(e)二維碼在不同Z位置(Z1-Z2=1μm)的X-Y平面進(jìn)行多層復(fù)用結(jié)果[60]Fig.3 Encoded six-dimensional optical information.(a)Results of decoding in self-assembled gold nanorod,where the size of the QR code is 32μm×32μm(27×27 pixel points);(b)Similarity factor S evaluating the results after decoding of the combined state of topological charge,wavelength,polarization and Z-position;(c)Experimental results of sixteen QR code demultiplexing in the same spatial region with four OAMs(-l1=l2=1 and-l3=l4=3),two wavelengths(λ1=800 nm and λ2=860 nm)and two linear polarizations;(d)Schematic of the Six-dimensional optical encryption and encoding;(e)Results of multilayer multiplexing of QR codes in the X-Y plane at different Z-positions(Z1-Z2=1 μm)[60]

1.3 完美渦旋光數(shù)據(jù)加密技術(shù)

傳統(tǒng)的渦旋光束光強(qiáng)分布對拓?fù)浜傻囊蕾囆允构馀c物質(zhì)相互作用變得復(fù)雜化,限制了OAM在加密領(lǐng)域的應(yīng)用。通過對OAM光束的相位或振幅調(diào)控可產(chǎn)生完美渦旋(POV)光束,POV光束的物理特性為不同拓?fù)浜傻腛AM光束光斑尺寸相同。然而傳統(tǒng)的POV光束產(chǎn)生方法應(yīng)用在緊聚焦條件時,焦平面內(nèi)的聚焦半徑會發(fā)生變化,導(dǎo)致高數(shù)值孔徑(NA)聚焦的OAM光束半徑變得不可控。Yang等[62]使用純相位調(diào)制產(chǎn)生了緊聚焦POV光束,并研究了POV光束與無序金納米顆粒的相互作用機(jī)制,實(shí)現(xiàn)了POV光束對信息的加密。

緊聚焦條件下POV光束相位調(diào)制圖計算過程及圖像加密實(shí)驗結(jié)果如圖4所示。該方法使用一個空間光調(diào)制器即可產(chǎn)生POV光束,可以簡化實(shí)驗光路并降低實(shí)驗成本。其相位圖計算如下:首先提取理想貝塞爾函數(shù)傅里葉變換后的復(fù)振幅光場,得到(1)式中的振幅分布和相位分布,其對應(yīng)的計算結(jié)果分別如圖4(a)、(b)所示。

式中:(ρ,θ)為極坐標(biāo)系,l為整數(shù)階拓?fù)浜蓴?shù),k為波數(shù),X=kρ/f,f為透鏡焦距,R為圓孔光闌的半徑,α為第一類l階貝塞爾方程Jl(x)的比例因子。利用歐拉公式可將振幅調(diào)制項轉(zhuǎn)化為相位調(diào)制項,基于此對兩種分布信息進(jìn)行編碼并將其組合成(2)式中兩個新的相位分布φ1和φ2,其對應(yīng)的計算結(jié)果分別如圖4(c)、(d)所示。

圖4 相位圖計算過程及光學(xué)加密實(shí)驗結(jié)果。理想貝塞爾函數(shù)傅里葉變換的復(fù)振幅光場中的振幅分布(a)和相位分布(b);(c),(d)兩個組合相位分布;(e),(f)一對互補(bǔ)的環(huán)形孔;(g)最終合成的相位分布;(h),(i)拓?fù)浜蒷=5的POV在xy橫截面的光強(qiáng)分布和相位干涉圖案;(j)同一空間區(qū)域內(nèi)8個圖案復(fù)用解實(shí)驗結(jié)果,四個OAM(l=±1、±3)和兩個線性偏振。緊聚焦系統(tǒng)的仿真參數(shù):水平偏振,λ=800 nm,NA=0.95,半徑R=3μm[62]Fig.4 Calculation process of phase and results of optical encryption experiment.Amplitude distribution(a)and phase distribution(b)in the complex amplitude optical field of the Fourier transform of an ideal Bessel function;(c),(d)Distribution of the two combined phase;(e),(f)A pair of complementary toroidal apertures;(g)Distribution of the final combined phase;(h),(i)Optical intensity distribution and phase interference pattern of the POV with topological charge l=5 in the xy cross section;(j)Experimental results of eight patterns demultiplexing in the same spatial region with four OAMs(l= ±1,±3)and two linear polarizations.Simulation parameters of the tightly focused system:Horizontal polarization,λ=800 nm,NA=0.95,and radius R=3μm[62]

式中:A(x0,y0)與φ(x0,y0)分別為(1)式復(fù)振幅場的振幅分布和相位分布,Amax為其振幅最大值。之后使用一對互補(bǔ)的環(huán)形孔徑[圖4(e)、(f)]將兩幅相位圖合成最終的相位調(diào)制圖[圖4(g)],理論計算結(jié)果表明調(diào)制后的光場經(jīng)過物鏡聚焦,光強(qiáng)分布滿足POV光束的定義。圖4(h)、(i)分別為使用理查德沃夫矢量衍射理論計算獲得的調(diào)制光場在緊聚焦條件下x-y面上的光強(qiáng)分布及其對應(yīng)的相位干涉圖案。通過研究不同拓?fù)浜傻腜OV光束與無序金納米顆粒的作用機(jī)制,從理論和實(shí)驗上證明了其實(shí)現(xiàn)光學(xué)圖像加密的可行性。圖4(j)為八個圖案利用四個POV態(tài)(l=±1、±3)和兩個線偏振(x和y偏振)在同一區(qū)域復(fù)用解碼之后的結(jié)果,只有對應(yīng)的POV態(tài)才可以得到正確的信息,否則得到錯誤的干擾信息。

2 波長尺度的渦旋光檢測技術(shù)

在OAM復(fù)用技術(shù)中,針對OAM光束的檢測技術(shù)至關(guān)重要,尤其是針對自旋角動量(SAM)和OAM拓?fù)浜傻莫?dú)立探測。傳統(tǒng)的OAM光束探測技術(shù)主要基于宏觀上的相位干涉或模式轉(zhuǎn)換方法,盡管能夠簡單方便地探測OAM光束的拓?fù)浜?然而受制于體積因素,無法集成在波長尺度的光學(xué)器件中。因此,波長尺度的軌道角動量復(fù)用技術(shù)需要相應(yīng)的渦旋光檢測技術(shù)作為支撐。

Zhang等[78]提出了一種波長尺度的探測OAM的方法,該方法只需要一個亞波長的納米小孔即可實(shí)現(xiàn)SAM與OAM的探測,并重現(xiàn)了亞波長分辨率的光場分布。如圖5(a)所示,一束攜帶軌道角動量的光束經(jīng)過物鏡聚焦后照射到離焦平面的金屬薄膜和納米小孔上[圖5(b)],大部分入射光都被金屬薄膜主體反射,小部分光和小孔相互作用產(chǎn)生散射。由于反射光和散射光沿z軸的衰減曲線不同,因此在某些特定的距離范圍上二者強(qiáng)度相當(dāng),可以產(chǎn)生明顯的干涉現(xiàn)象,在焦平面上形成清晰的干涉圖案,并通過光學(xué)系統(tǒng)傳輸至共軛的探測平面上,作為電信號被光電二極管記錄。隨著納米小孔在位移平臺控制下在軌道角動量光場中掃描,散射光束可以同時繼承小孔處的振幅和相位信息。而反射光束的強(qiáng)度、相位信息都是固定的,因此隨著小孔繼承相位的不同,可以發(fā)生相長或是相消干涉信號,光電二極管記錄隨小孔掃描產(chǎn)生的螺旋形條紋。通過條紋的數(shù)目和方向即可確認(rèn)微小空間內(nèi)OAM的數(shù)值和正負(fù)號[圖5(d)],測量精度和分辨率取決于納米小孔的尺寸和空間掃描步長。除了OAM探測,該技術(shù)還能結(jié)合圓偏振分析,探測了高階雜化龐加萊球上不同位置的SAM和OAM。如圖5(d)所示,光場沿著龐加萊球經(jīng)線由狀態(tài)i至狀態(tài)v演化,在左旋分量探測到總強(qiáng)度逐漸減弱至0的兩個條紋,而右旋分量探測到總強(qiáng)度從0逐漸增加的中心亮斑。這一過程說明光場沿著經(jīng)線變化,光場的總角動量在守恒的條件下,從+?到-?逐漸減小的SAM,轉(zhuǎn)化成為從-2?到0?逐漸增加的OAM。這一技術(shù)實(shí)現(xiàn)了SAM和OAM在亞波長分辨率的映射和測量,并且可以應(yīng)用于雜化階龐加萊球上自旋-軌道-霍爾效應(yīng)的探測。

圖5 亞波長尺度下OAM光束的檢測原理與實(shí)驗結(jié)果。(a)樣品表面反射光與結(jié)構(gòu)散射波在焦平面的干涉示意圖;(b)納米孔樣品掃描電鏡圖像(SEM);(c)實(shí)驗光路圖,QWP:1/4玻片,APD:雪崩光電二極管;(d)亞波長下光的軌道角動量與自旋角動量檢測的實(shí)驗結(jié)果[78]Fig.5 Detection principle and experimental results of OAM beam at subwavelength scale.(a)Schematic diagram of the interference between the reflected light from the sample surface and the structured scattered wave at the focal plane;(b)Scanning electron microscope image(SEM)of the nanohole;(c)Experimental set up.QWP:1/4 wave plate,APD:avalanche photodiode;(d)Experimental results of topological charge and spin angular momentum detection of OAM beams at subwavelengths[78]

3 結(jié)論與展望

軌道角動量近三十年的研究,從最初的理論基礎(chǔ)研究到應(yīng)用開發(fā)階段再到技術(shù)突破階段,OAM光束已在超分辨成像、大容量通信、信息編碼解碼等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。隨著信息時代的發(fā)展,OAM復(fù)用在數(shù)據(jù)的傳輸、處理、編碼等領(lǐng)域均已取得進(jìn)展。

介紹了OAM光束在微納結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)處理、編碼以及加密與檢測,納米尺度的OAM光束的研究還存在很多機(jī)遇和挑戰(zhàn),值得進(jìn)一步挖掘。如:1)研究OAM光束與納米結(jié)構(gòu)相互作用的新物理現(xiàn)象,以及OAM自身的自旋和軌道相互作用等效應(yīng)。2)OAM復(fù)用對提高信息的容量具有重要作用,然而目前軌道角動量復(fù)用主要與光的波長、偏振物理維度結(jié)合。隨著光場調(diào)控技術(shù)的發(fā)展,可產(chǎn)生模式豐富的結(jié)構(gòu)光場,如拉蓋爾高斯光束不僅具有OAM模式,還具有徑向模式值以及矢量OAM光束等,可將這些作為新的自由度擴(kuò)展信息復(fù)用的容量。3)目前納米尺度的OAM光束實(shí)現(xiàn)的功能還比較單一,未來可將器件集成化,實(shí)現(xiàn)片上器件整合和應(yīng)用開發(fā)。總而言之,OAM的復(fù)用技術(shù)仍然有大量的研究工作需要深入探索,相信未來將有更多的物理維度同時復(fù)用以進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)的容量。