[發(fā)明專利]一種強(qiáng)聚焦條件下生成亞波長(zhǎng)時(shí)空渦旋的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010500148.7
• 申請(qǐng)日: 2020-06-04
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111722398B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-03-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳建;詹其文;鄭震洧;萬(wàn)辰皓
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G02B27/00
• 分類號(hào): G02B27/00
• 代理公司: 上海邦德專利代理事務(wù)所(普通合伙) 31312
• 代理人: 余昌昊

本發(fā)明公開(kāi)了一種強(qiáng)聚焦條件下生成亞波長(zhǎng)時(shí)空渦旋的方法，該方法根據(jù)焦場(chǎng)在時(shí)空域內(nèi)的拓?fù)浜蓴?shù)定制入射時(shí)空波包，所定制的波包經(jīng)高數(shù)值孔徑的透鏡聚焦后，可在焦平面上生成亞波長(zhǎng)尺度內(nèi)具有預(yù)定橫向軌道角動(dòng)量的時(shí)空渦旋光場(chǎng)。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)運(yùn)用強(qiáng)聚焦條件下生成亞波長(zhǎng)時(shí)空渦旋的方法，用于解決自由空間中的時(shí)空渦旋經(jīng)高數(shù)值孔徑透鏡聚焦后時(shí)空螺旋相位被破壞的問(wèn)題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及微納光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種強(qiáng)聚焦條件下生成亞波長(zhǎng)時(shí)空渦旋的方法。

背景技術(shù)

光子角動(dòng)量作為光子內(nèi)秉特性之一，是納米光子學(xué)一個(gè)重要研究方向，可廣泛應(yīng)用于大容量超高速光通信、量子信息處理、光鑷、超分辨顯微成像、自旋軌道耦合等領(lǐng)域，其與微納結(jié)構(gòu)的相互作用極有可能給這些領(lǐng)域帶來(lái)里程碑式的發(fā)展。光子的角動(dòng)量分為自旋角動(dòng)量和軌道角動(dòng)量?jī)煞N類型。電場(chǎng)或磁場(chǎng)振動(dòng)方向的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生光子自旋角動(dòng)量，其大小由光子的偏振螺旋度決定，通常自旋角動(dòng)量的自旋軸方向平行于光束傳播方向，亦稱之為縱向自旋角動(dòng)量。在空間域內(nèi)，光場(chǎng)的軌道角動(dòng)量可以用渦旋波前表示，其中是光束橫截面內(nèi)的方位角，l是任意的正負(fù)整數(shù)，稱之為拓?fù)浜?。與縱向自旋角動(dòng)量類似，這種軌道角動(dòng)量使渦旋光場(chǎng)的能流繞著平行于光束傳播方向的軸流轉(zhuǎn)，故稱之為縱向軌道角動(dòng)量。

隨著光場(chǎng)調(diào)控理論與技術(shù)的快速發(fā)展，人們對(duì)光子角動(dòng)量的認(rèn)知也在不斷深化。2013年，Banzer等人首次在實(shí)驗(yàn)中測(cè)量到純橫向自旋角動(dòng)量，其自旋軸垂直于傳播方向，顛覆了光子只具有縱向自旋角動(dòng)量的傳統(tǒng)認(rèn)知。其實(shí)早在1959年，Richards和Wolf在其著名的矢量衍射理論中就曾指出：在一個(gè)光學(xué)聚焦系統(tǒng)的聚焦平面上，電場(chǎng)和磁場(chǎng)存在縱向分量，并且縱向分量和橫向分量的相位差為λ/2。以現(xiàn)在的理論觀點(diǎn)來(lái)講，這一結(jié)論即意味著存在不為零的橫向自旋角動(dòng)量。與之相對(duì)應(yīng)，通過(guò)引入時(shí)間域內(nèi)的相位變化，可以獲得純橫向軌道角動(dòng)量，所形成的渦旋光束繞著垂直于其傳播方向的軸旋轉(zhuǎn)。

由于時(shí)空渦旋光束為光場(chǎng)調(diào)控提供了一個(gè)全新的維度，近年來(lái)吸引了越來(lái)越多的研究人員的關(guān)注，成為光學(xué)領(lǐng)域研究的前沿?zé)狳c(diǎn)。J.F.Nye等人分析了超聲波脈沖經(jīng)粗糙表面反射后其散射波列存在錯(cuò)位這一現(xiàn)象，在理論上證明散射波中存在時(shí)空渦旋。N.Jhajj等人通過(guò)超強(qiáng)激光脈沖與空氣的非線性作用，在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了時(shí)空光渦旋的存在；不過(guò)所形成的光場(chǎng)中只有一小部分能量帶有橫向OAM。S.W.Hancock等人演示了自由空間中時(shí)空渦旋光束的產(chǎn)生與傳播，使用瞬態(tài)光柵單發(fā)超連續(xù)光譜干涉法完成時(shí)空渦旋光束相位和幅度的測(cè)量。A.Chong等人利用基于空間頻率-頻率面到空間-時(shí)間面的傅里葉變換，成功生成并表征了攜帶橫向光子軌道角動(dòng)量的超短脈沖光學(xué)波包。目前的研究成果僅限于自由空間中的時(shí)空渦旋光束的生成。自由空間中的時(shí)空渦旋光束經(jīng)高數(shù)值孔徑的透鏡聚焦后，會(huì)發(fā)生劈裂現(xiàn)象，即透鏡焦平面上的光場(chǎng)不再具有時(shí)空螺旋相位。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供了一種強(qiáng)聚焦條件下生成亞波長(zhǎng)時(shí)空渦旋的方法，用于解決自由空間中的時(shí)空渦旋經(jīng)高數(shù)值孔徑透鏡聚焦后時(shí)空螺旋相位被破壞的問(wèn)題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種強(qiáng)聚焦條件下生成亞波長(zhǎng)時(shí)空渦旋的方法，包括以下步驟：

S1、根據(jù)焦場(chǎng)時(shí)空渦旋的拓?fù)浜蒒，確定時(shí)空渦旋焦場(chǎng)的拉蓋爾高斯模

S2、將時(shí)空渦旋焦場(chǎng)的拉蓋爾高斯模進(jìn)行模式分解，得到同階數(shù)的厄米高斯模其中n和m的組合稱之為階數(shù)；

S3、將厄米高斯模作為高數(shù)值孔徑透鏡的入射場(chǎng)，所述入射場(chǎng)通過(guò)透鏡聚焦得到軌道角動(dòng)量為N的亞波長(zhǎng)時(shí)空渦旋。

優(yōu)選的，所述步驟S1中的拉蓋爾高斯模其n+m＝|N|。當(dāng)螺旋相位在x-t面內(nèi)，N≥0時(shí)，m＝N，n＝0；當(dāng)N0時(shí)，m＝0，n＝|N|。

優(yōu)選的，所述步驟S2中的拉蓋爾高斯模與厄米高斯模可以用如下表達(dá)式關(guān)聯(lián)起來(lái)：

其中，實(shí)系數(shù)b(n,m,k)為：