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电介质超表面产生和调控结构光场研究

刘亚超  
【摘要】:结构光场是指具有特定强度结构、相位结构、偏振结构的光场,如涡旋光场和矢量光场。结构光场具有相位奇异性、轨道角动量、横向结构、结构化偏振、近乎无衍射传播和光束转向等特征,在与物质相互作用中表现出新效应,并在光学微操纵、光学显微成像、光通信、光电子学、量子信息等领域有重要应用。结构光场丰富的研究内容和大量的应用使它吸引了广泛关注,已经成为现代光学领域中一个新的充满活力的研究热点,并几乎发展成为一门独特的学科。此外,对结构光场的研究催生了人们对结构电子波甚至更普遍的结构物质波的兴趣,推动了原子光学等领域的发展。产生和调控结构光场是结构光场研究和应用的前提。超表面是近年来出现的一种新型二维材料,能在亚波长尺度内有效调控电磁波的偏振和相位,是调控结构光场,实现光学器件的超微型化和集成的理想平台。用介电材料构造的超表面,传输效率非常高,尤其适用于可见光频段,因此成为操控结构光场的主流发展方向。本文研究电介质超表面产生和调控结构光场的原理、方法和技术,取得如下主要结果:1.结构光场的产生过程中,不同光子自旋态的分量在一定情况下会产生分裂,这一现象会破坏光场的稳定性。实验上,我们发现,打破电介质超表面结构旋转对称性可观察到这种自旋相关的分裂。当光束通过不具有旋转对称性的扇形超表面时,会产生在位置空间中随传播距离增大而增大的自旋分裂。由于电介质材料的高传输效率,在远场也可观测到足够大的横向移动。此外,通过增加局部光轴的空间旋转速率,可进一步增强这一效应。这一研究对产生稳定的结构光场和发展光子自旋相关的应用有重要意义。2.由结构旋转对称性破缺导致的自旋分裂与光子自旋轨道相互作用、自旋霍尔效应等有重要关联性。我们从时域多谱勒效应出发,将时间坐标替换为位置坐标,提出了一种控制光子自旋相关分裂的方法。通过改变超表面中几何结构的空间旋转速率,在光场中引入了自旋相关的横向波矢分量,从而改变了自旋分裂的大小和方向。这一研究从本质上揭示了结构光场中偏振态演变与几何相位、波矢方向改变之间的关系,也为涡旋光束拓扑荷数的调控提供了一种可行方法。3.柱矢量光束具有空间圆柱对称的偏振态分布,是麦克斯韦方程组的高阶矢量解,在实现微观粒子操控、光子计算、高分辨成像等方面都具潜在的应用价值。传统的产生方法往往只能实现单一柱矢量态的产生,且需要十分复杂的产生装置。我们提出了一种基于旋转对称超表面的简便易行的柱矢量光束产生方法,实现了在对应的高阶庞加莱球上的连续偏振态演化。这一方法高效、方便且通用,而柱矢量态连续演变的实现对高阶偏振空间中的光子拓扑特性的研究有重要意义。4.完美涡旋光束是一种携带轨道角动量的环形光束,其光强分布不会因为涡旋拓扑荷数和传播距离的变化而变化,因而比传统的拉盖尔高斯光束提供了更好的轨道角动量载体。同样,完美矢量光束能够克服传播距离对光束品质的影响,是一种理想的矢量光束光源。传统光学元件产生的完美涡旋和完美矢量光束的装置通常是不可缩小的,因此无法进行光学集成。我们提出了一种完全基于电介质超表面的完美涡旋光束和完美矢量光束的产生方案,这种可集成的完美涡旋和完美矢量光束产生系统能够为集成光学系统中轨道角动量和高阶偏振态的应用提供可靠的光源。


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