一种检测光场轨道角动量的装置及方法

摘要

本发明公开了一种检测光场轨道角动量的装置及方法。该装置由超颖全息表面集合、耦合光栅、二氧化硅衬底和硅基探测器组成。该方法将全息功能集成于金属微纳结构，形成超颖全息表面。全息表面采用不同拓扑荷的多区域设计，能够将待检测的具有径向偏振分量的涡旋光场耦合为多束表面等离子体波聚焦场，其传播方向取决于系统的总角动量。经由耦合光栅传递，全息表面各区域生成的聚焦表面等离子体波能够被硅基探测器收集。通过对多个探测器的信号进行量化，可以实现光场轨道角动量的大范围的高保真识别。本发明相比于传统的光场轨道角动量探测方法，具有微型化、易于集成、探测范围大和实时探测等特点，在光通信和信息处理等诸多领域都有着重要的应用。

权利要求

1.一种检测光场轨道角动量的装置，其特征在于：包括超颖全息表面集合(2)、耦合光栅(3)、二氧化硅衬底(4)和硅基探测器(5)；所述超颖全息表面集合(2)由多个具有不同几何拓扑荷数的超颖全息表面组成，各个超颖全息表面以超颖全息表面集合(2)的几何中心为中心均匀环绕排列；每个超颖全息表面均对应设置有一个相同的耦合光栅(3)和一个硅基探测器(5)，所述耦合光栅(3)设置在超颖全息表面的中轴方向上且位于超颖全息表面的焦点位置处；所述二氧化硅衬底(4)设置在耦合光栅(3)和硅基探测器(5)之间。

2.根据权利要求1所述的检测光场轨道角动量的装置，其特征在于：所述超颖全息表面包含一层金膜，且金膜刻蚀有干涉图样，所述干涉图样为表面等离子波和自由空间传播的涡旋光场干涉形成。

3.一种基于权利要求1或2任意一项所述的一种检测光场轨道角动量的装置的检测光场轨道角动量的方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一、获得单个预存组合数据

将已知轨道角动量的具有径向偏振分量的涡旋光场(1)垂直照射到超颖全息表面集合(2)上，且入射光场的中心与超颖全息表面集合(2)的几何中心重合；每个超颖全息表面将入射光场耦合为聚焦的表面等离子体波并向各自对应的耦合光栅(3)一侧传播，耦合光栅(3)将从对应的超颖全息表面传来的表面等离子体波聚焦并耦合再传播至二氧化硅衬底(4)处并最终被对应的硅基探测器(5)收集；根据各个硅基探测器(5)收集到的信号进行组合获得该轨道角动量对应的预存组合数据；

步骤二、重复步骤一，获得多个轨道角动量对应的预测组合数据，形成预测组合数据集；

步骤三、将步骤一中已知轨道角动量的具有径向偏振分量的涡旋光场(1)替换为待测的具有径向偏振分量的涡旋光场(1)，重复步骤一的过程，获得待测的具有径向偏振分量的涡旋光场(1)的组合数据；

步骤四、将待测的具有径向偏振分量的涡旋光场(1)的组合数据与步骤二中获得预存组合数据集进行对比，从预存组合数据集中选出与待测的具有径向偏振分量的涡旋光场(1)的组合数据相同的一组预存组合数据，进而获得该预存组合数据对应的轨道角动量即为该待测的具有径向偏振分量的涡旋光场(1)的轨道角动量。

4.根据权利要求3所述的检测光场轨道角动量的方法，其特征在于：将信号量按照线性递增的形式设定为多个等级，将每一组硅基探测器(5)收集到的信号分别归类至对应等级中，获得预存组合数据以及组合数据的等级表示形式，选出与组合数据的等级表示形式相同的预存组合数据，该预存组合数据对应的轨道角动量即为该待测的具有径向偏振分量的涡旋光场(1)的轨道角动量。

说明书

一种检测光场轨道角动量的装置及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及光学领域，特别是涉及涡旋光场领域。

背景技术

[0002] 涡旋光场是指一类具有螺旋相位波前或相位奇点的特殊光场，其相位在光场横截面上的分布可以被描述为exp(ilφ)，其中φ表示方位角、l表示拓扑荷，这里并且每个光子携带的轨道角动量为 作为涡旋光场的特征，拓扑荷l可以为任意的整数，代表一个波长内光场扭曲的次数。涡旋光场拥有许多特殊的性质，例如无限态空间、强度呈中空环形分布等，在生物光镊、高维数据存储、自由空间光通信等领域都有着广泛的应用。轨道角动量的数值决定了涡旋光场的模式以及光力矩的大小，因此区分不同的轨道角动量具有非常重要的实际意义。

[0003] 传统的光场轨道角动量检测方法包括计算全息法和马赫-曾德干涉仪。然而，随着拓扑荷数的增大，所需设备和实验的复杂程度随之递增。同时，检测装置也由于庞大光学器件的使用而无法与微型化平台相结合，不符合光子集成的发展趋势。近二十年内，随着现代加工技术的飞速发展，亚波长尺度的金属复杂结构的加工日趋成熟，这也促进了新一代微纳器件的发展。表面等离子体波的发现，为在微小尺度下局域和控制光场提供了新的方法和思路。由于短波长、高局域性和高强度等特点，表面等离子体波大幅地缩减了光学器件所需的尺度，并对于器件的性能有着显著的提升。研究表明，涡旋光场的螺旋相位信息能够传递给表面等离子体波，因此表面等离子体波的干涉图样能够清晰地反映出光场轨道角动量的信息。基于这一特点，研究者们开发出了基于光学天线的表面等离子体波透镜，通过探测表面等离子体波的强度分布可以识别出光场的轨道角动量。然而，表面等离子体波的衰减特性决定了必须使用额外的扫描装置去收集近场光学信息。这一过程大大延长了检测的时间，无法满足现代检测技术的实时性要求。为了提高探测速度，研究者们将探测器集成在金属微纳结构中，开发出一种表面等离子体波耦合器，能够将涡旋光场耦合入沿特定方向传播的表面等离子体波并被探测器所检测。这种方法满足了探测技术的实时性要求，然而却只能识别单一的轨道角动量，因此在实用性上也大打折扣。

发明内容

[0004] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种检测光场轨道角动量的装置及方法，用于解决现存的检测技术无法同时兼顾微型化器件、实时性探测和大探测范围的技术缺陷。

[0005] 技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

[0006] 一种检测光场轨道角动量的装置，包括超颖全息表面集合、耦合光栅、二氧化硅衬底和硅基探测器；所述超颖全息表面集合由多个具有不同几何拓扑荷数的超颖全息表面组成，各个超颖全息表面以超颖全息表面集合的几何中心为中心均匀环绕排列；每个超颖全息表面均对应设置有一个相同的耦合光栅和一个硅基探测器，所述耦合光栅设置在超颖全息表面的中轴方向上且位于超颖全息表面的焦点位置处；所述二氧化硅衬底设置在耦合光栅和硅基探测器之间。

[0007] 进一步的，在本发明中，所述超颖全息表面包含一层金膜，且金膜刻蚀有干涉图样，所述干涉图样为表面等离子波和自由空间传播的涡旋光场干涉形成。

[0008] 一种检测光场轨道角动量的方法，包括以下步骤：

[0009] 步骤一、获得单个预存组合数据

[0010] 将已知轨道角动量的具有径向偏振分量的涡旋光场垂直照射到超颖全息表面集合上，且入射光场的中心与超颖全息表面集合的几何中心重合；每个超颖全息表面将入射光场耦合为聚焦的表面等离子体波并向各自对应的耦合光栅一侧传播，耦合光栅将从对应的超颖全息表面传来的表面等离子体波聚焦并耦合再传播至二氧化硅衬底处并最终被对应的硅基探测器收集，这里二氧化硅衬底主要起到支撑和保护上方超颖全息表面的作用；根据各个硅基探测器收集到的信号进行组合获得该轨道角动量对应的预存组合数据；

[0011] 步骤二、重复步骤一，获得多个轨道角动量对应的预测组合数据，形成预测组合数据集；

[0012] 步骤三、将步骤一中已知轨道角动量的具有径向偏振分量的涡旋光场替换为待测的具有径向偏振分量的涡旋光场，重复步骤一的过程，获得待测的具有径向偏振分量的涡旋光场的组合数据；

[0013] 步骤四、将待测的具有径向偏振分量的涡旋光场的组合数据与步骤二中获得预存组合数据集进行对比，从预存组合数据集中选出与待测的具有径向偏振分量的涡旋光场的组合数据相同的一组预存组合数据，进而获得该预存组合数据对应的轨道角动量即为该待测的具有径向偏振分量的涡旋光场的轨道角动量。

[0014] 由于每个超颖全息表面的几何拓扑荷数不同，因此每个超颖全息表面所产生的表面等离子体波偏离超颖全息表面中轴的角度也不相同。传播方向各异的表面等离子体波被放置在中轴上的耦合光栅耦合并经过二氧化硅衬底最终被硅基探测器收集。通过对所有探测器的信号进行量化处理，能够实现大范围的光场轨道角动量的高保真识别。

[0015] 进一步的，在本发明中，将信号量按照线性递增的形式设定为多个等级，将每一组硅基探测器收集到的信号分别归类至对应等级中，获得预存组合数据以及组合数据的等级表示形式，选出与组合数据的等级表示形式相同的预存组合数据，该预存组合数据对应的轨道角动量即为该待测的具有径向偏振分量的涡旋光场的轨道角动量。按照等级形式组成的组合，容易比对且快速找到相应的轨道角动量。

[0016] 有益效果：

[0017] 本发明提供的检测光场轨道角动量的装置及方法可用于轨道角动量的大范围的即时识别，在涉及轨道角动量的光通信和信息处理等领域有着巨大的应用前景。具体来说：

[0018] (1)、本发明适应性强，由于超颖全息表面的干涉图样的沟槽的周期长度必须与表面等离子体波的波长相符，而表面等离子体波的波长是与入射光的波长有关，所以，对于不同波长的入射光场，可以通过调整超颖全息表面的结构参数可适应不同的激光波长；

[0019] (2)、本发明扩展性强，通过设计更多区域的超颖全息表面，多种结构拓扑荷数进行组合，可增大轨道角动量的探测范围；

[0020] (3)、本发明集成性强，易于与探测器和光学波导等微纳元件相集成，从而构成光子集成电路。

附图说明

[0021] 图1为本发明装置的剖面结构示意图；

[0022] 图2为图1的俯视图；

[0023] 图3为本发明超颖全息表面区域A生成的表面等离子体波聚焦场强度分布(总角动量为0)；

[0024] 图4为本发明超颖全息表面区域A生成的表面等离子体波聚焦场强度分布(总角动量为- )；

[0025] 图5为本发明超颖全息表面区域B生成的表面等离子体波聚焦场强度分布(总角动量为0)；

[0026] 图6为本发明超颖全息表面区域B生成的表面等离子体波聚焦场强度分布(总角动量为 )；

[0027] 图7为本发明超颖全息表面区域C生成的表面等离子体波聚焦场强度分布(总角动量为0)；

[0028] 图8为本发明超颖全息表面区域C生成的表面等离子体波聚焦场强度分布(总角动量为 )；

[0029] 图9为本发明超颖全息表面区域D生成的表面等离子体波聚焦场强度分布(总角动量为0)；

[0030] 图10为本发明超颖全息表面区域D生成的表面等离子体波聚焦场强度分布(总角动量为- )。

具体实施方式

[0031] 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

[0032] 如图1所示，一种检测光场轨道角动量的探测装置可分为超颖全息表面集合2、耦合光栅3、二氧化硅衬底4和硅基探测器5四个部分。如图2所示，超颖全息表面集合2被分为面积相等的A、B、C、D四块超颖全息表面，各个超颖全息表面以超颖全息表面集合2的几何中心为中心均匀环绕排列，且每个超颖全息表面的结构拓扑荷数各不相同，A、B、C、D四个区块的结构拓扑荷数分别为-1、1、2、-2。超颖全息表面的设计基于表面等离子体波和自由空间传播的涡旋光场之间的干涉图样，利用聚焦离子束刻蚀的方法，将设计的干涉图样加工在金膜表面，从而形成超颖全息表面。金膜的厚度约为200纳米，干涉图样的刻蚀深度约为75纳米，各区块所对应的焦距为10微米。每个超颖全息表面均对应设置有一个相同的耦合光栅3和一个硅基探测器5，所述耦合光栅3设置在超颖全息表面的中轴方向上且位于超颖全息表面的焦点位置处，耦合光栅3的刻蚀深度为200纳米、宽度约为500纳米、周期均为200纳米、占空比为0.5；所述二氧化硅衬底4设置在耦合光栅3和硅基探测器5之间。

[0033] 将一束波长为632纳米的圆偏振涡旋光场(圆偏振涡旋光场可以视为是径向偏振和角向偏振的叠加，外加一个相位项)垂直照射超颖全息表面，并确保光场中心与超颖全息表面集合2的几何中心位置重合。超颖全息表面集合2的四个超颖全息表面能将入射光聚焦为传播方向不同的四束表面等离子体波。位于焦点附近的光栅结构将聚焦的表面等离子体波传递至二氧化硅衬底4下方的硅基探测器5，从而硅基探测器5将记录下四个超颖全息表面内沿中轴方向上传播的表面等离子体波强度。

[0034] 由于表面等离子体波聚焦场的传播方向由总角动量决定。具体来说，对于任一超颖全息表面，当入射的光场轨道角动量的拓扑荷li能够与结构拓扑荷lg相抵消，即满足li+lg＝0时，表面等离子体波将沿着该超颖全息表面的中轴传播。否则，入射的光场轨道角动量的拓扑荷li无法与结构拓扑荷lg相抵消，则剩余的角动量将被传递给表面等离子体波，导致表面等离子体波的传播方向的偏转。图3-图10展示了不同的总角动量的情况下，各超颖全息表面中的表面等离子体波的强度分布的模拟结果。从图中可明显看出，当总角动量不为零时，表面等离子体波的传播方向将偏离中轴，并且偏转角度会随着总角动量的增加而增大。因此，放置在各超颖全息表面中轴上的耦合光栅3的耦合效率反比于偏转角度，偏转角度越大，经由耦合光栅3传递并被硅基探测器5采集到的信号也越弱。

[0035] 由于每个超颖全息表面的结构拓扑荷数不同，因此对于携带不同轨道角动量的入射光场，各区域的硅基探测器5的采集信号也会存在显著的差异。利用这种差异性，通过对四个硅基探测器5的信号进行合理的量化，就可以实现大范围的光场轨道角动量的识别。表1展示了用于辨别光场轨道角动量的硅基探测器5收集到的信号强度对照图。

[0036] 表1

[0037]

[0038] 表1中每一列代表着携带特定轨道角动量的光场入射时四个硅基探测器5采集信号的归一化数值，其中采集信号以线性递增的形式被量化为S1-S5五个等级。对于所示的13个不同的轨道角动量，四个硅基探测器5所对应的量化后的信号序列都是唯一的，因此可以实现对携带这些轨道角动量的光场的有效识别。值得特别指出的是可分辨的轨道角动量的数目远大于所需使用的硅基探测器5数量。由此可见，本方法用于探测光场轨道角动量具有器件微型化，探测速度快，探测范围广且易于集成等特点。

[0039] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。