一種檢測光場軌道角動量的裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光學(xué)領(lǐng)域，特別是涉及渦旋光場領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 禍旋光場是指一類具有螺旋相位波前或相位奇點的特殊光場，其相位在光場橫截 面上的分布可以被描述為θχρα?Φ)，其中Φ表示方位角、1表示拓?fù)浜桑@里并且每個光 子攜帶的軌道角動量為彷。作為渦旋光場的特征，拓?fù)浜?可以為任意的整數(shù)，代表一個波 長內(nèi)光場扭曲的次數(shù)。渦旋光場擁有許多特殊的性質(zhì)，例如無限態(tài)空間、強度呈中空環(huán)形分 布等，在生物光鑷、高維數(shù)據(jù)存儲、自由空間光通信等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。軌道角動量 的數(shù)值決定了渦旋光場的模式以及光力矩的大小，因此區(qū)分不同的軌道角動量具有非常重 要的實際意義。
[0003] 傳統(tǒng)的光場軌道角動量檢測方法包括計算全息法和馬赫-曾德干涉儀。然而，隨 著拓?fù)浜蓴?shù)的增大，所需設(shè)備和實驗的復(fù)雜程度隨之遞增。同時，檢測裝置也由于龐大光學(xué) 器件的使用而無法與微型化平臺相結(jié)合，不符合光子集成的發(fā)展趨勢。近二十年內(nèi)，隨著現(xiàn) 代加工技術(shù)的飛速發(fā)展，亞波長尺度的金屬復(fù)雜結(jié)構(gòu)的加工日趨成熟，這也促進了新一代 微納器件的發(fā)展。表面等離子體波的發(fā)現(xiàn)，為在微小尺度下局域和控制光場提供了新的方 法和思路。由于短波長、高局域性和高強度等特點，表面等離子體波大幅地縮減了光學(xué)器件 所需的尺度，并對于器件的性能有著顯著的提升。研宄表明，渦旋光場的螺旋相位信息能夠 傳遞給表面等離子體波，因此表面等離子體波的干涉圖樣能夠清晰地反映出光場軌道角動 量的信息。基于這一特點，研宄者們開發(fā)出了基于光學(xué)天線的表面等離子體波透鏡，通過探 測表面等離子體波的強度分布可以識別出光場的軌道角動量。然而，表面等離子體波的衰 減特性決定了必須使用額外的掃描裝置去收集近場光學(xué)信息。這一過程大大延長了檢測的 時間，無法滿足現(xiàn)代檢測技術(shù)的實時性要求。為了提高探測速度，研宄者們將探測器集成在 金屬微納結(jié)構(gòu)中，開發(fā)出一種表面等離子體波耦合器，能夠?qū)u旋光場耦合入沿特定方向 傳播的表面等離子體波并被探測器所檢測。這種方法滿足了探測技術(shù)的實時性要求，然而 卻只能識別單一的軌道角動量，因此在實用性上也大打折扣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種檢測光場軌道角動 量的裝置及方法，用于解決現(xiàn)存的檢測技術(shù)無法同時兼顧微型化器件、實時性探測和大探 測范圍的技術(shù)缺陷。
[0005] 技術(shù)方案：為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0006] 一種檢測光場軌道角動量的裝置，包括超穎全息表面集合、耦合光柵、二氧化硅襯 底和硅基探測器；所述超穎全息表面集合由多個具有不同幾何拓?fù)浜蓴?shù)的超穎全息表面組 成，各個超穎全息表面以超穎全息表面集合的幾何中心為中心均勻環(huán)繞排列；每個超穎全 息表面均對應(yīng)設(shè)置有一個相同的耦合光柵和一個硅基探測器，所述耦合光柵設(shè)置在超穎全 息表面的中軸方向上且位于超穎全息表面的焦點位置處；所述二氧化硅襯底設(shè)置在耦合光 柵和硅探測器之間。
[0007] 進一步的，在本發(fā)明中，所述超穎全息表面包含一層金膜，且金膜刻蝕有干涉圖 樣，所述干涉圖樣為表面等離子波和自由空間傳播的渦旋光場干涉形成。
[0008] 一種檢測光場軌道角動量的方法，包括以下步驟：
[0009] 步驟一、獲得單個預(yù)存組合數(shù)據(jù)
[0010] 將已知軌道角動量的具有徑向偏振分量的渦旋光場垂直照射到超穎全息表面集 合上，且入射光場的中心與超穎全息表面集合的幾何中心重合；每個超穎全息表面將入射 光場親合為聚焦的表面等離子體波并向各自對應(yīng)的親合光柵一側(cè)傳播，親合光柵將從對應(yīng) 的超穎全息表面?zhèn)鱽淼谋砻娴入x子體波聚焦并耦合再傳播至二氧化硅襯底處并最終被對 應(yīng)的硅基探測器收集，這里二氧化硅襯底主要起到支撐和保護上方超穎全息表面的作用； 根據(jù)各個硅基探測器收集到的信號進行組合獲得該軌道角動量對應(yīng)的預(yù)存組合數(shù)據(jù)； [0011] 步驟二、重復(fù)步驟一，獲得多個軌道角動量對應(yīng)的預(yù)測組合數(shù)據(jù)，形成預(yù)測組合數(shù) 據(jù)集；
[0012] 步驟三、將步驟一中已知軌道角動量的具有徑向偏振分量的渦旋光場替換為待測 的具有徑向偏振分量的渦旋光場，重復(fù)步驟一的過程，獲得待測的具有徑向偏振分量的渦 旋光場的組合數(shù)據(jù)；
[0013] 步驟四、將待測的具有徑向偏振分量的渦旋光場的組合數(shù)據(jù)與步驟二中獲得預(yù)存 組合數(shù)據(jù)集進行對比，從預(yù)存組合數(shù)據(jù)集中選出與待測的具有徑向偏振分量的渦旋光場的 組合數(shù)據(jù)相同的一組預(yù)存組合數(shù)據(jù)，進而獲得該預(yù)存組合數(shù)據(jù)對應(yīng)的軌道角動量即為該待 測的具有徑向偏振分量的渦旋光場的軌道角動量。
[0014] 由于每個超穎全息表面的幾何拓?fù)浜蓴?shù)不同，因此每個超穎全息表面所產(chǎn)生的表 面等離子體波偏離超穎全息表面中軸的角度也不相同。傳播方向各異的表面等離子體波被 放置在中軸上的耦合光柵耦合并經(jīng)過二氧化硅襯底最終被硅基探測器收集。通過對所有探 測器的信號進行量化處理，能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍的光場軌道角動量的高保真識別。
[0015] 進一步的，在本發(fā)明中，將信號量按照線性遞增的形式設(shè)定為多個等級，將每一組 硅基探測器收集到的信號分別歸類至對應(yīng)等級中，獲得預(yù)存組合數(shù)據(jù)以及組合數(shù)據(jù)的等級 表示形式，選出與組合數(shù)據(jù)的等級表示形式相同的預(yù)存組合數(shù)據(jù)，該預(yù)存組合數(shù)據(jù)對應(yīng)的 軌道角動量即為該待測的具有徑向偏振分量的渦旋光場的軌道角動量。按照等級形式組成 的組合，容易比對且快速找到相應(yīng)的軌道角動量。
[0016] 有益效果：
[0017] 本發(fā)明提供的檢測光場軌道角動量的裝置及方法可用于軌道角動量的大范圍的 即時識別，在涉及軌道角動量的光通信和信息處理等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景。具體來 說：
[0018] (1)、本發(fā)明適應(yīng)性強，由于超穎全息表面的干涉圖樣的溝槽的周期長度必須與表 面等離子體波的波長相符，而表面等離子體波的波長是與入射光的波長有關(guān)，所以，對于不 同波長的入射光場，可以通過調(diào)整超穎全息表面的結(jié)構(gòu)參數(shù)可適應(yīng)不同的激光波長；
[0019] (2)、本發(fā)明擴展性強，通過設(shè)計更多區(qū)域的超穎全息表面，多種結(jié)構(gòu)拓?fù)浜蓴?shù)進 行組合，可增大軌道角動量的探測范圍；
[0020] (3)、本發(fā)明集成性強，易于與探測器和光學(xué)波導(dǎo)等微納元件相集成，從而構(gòu)成光 子集成電路。
【附圖說明】
[0021] 圖1為本發(fā)明裝置的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022] 圖2為圖1的俯視圖；
[0023] 圖3為本發(fā)明超穎全息表面區(qū)域A生成的表面等離子體波聚焦場強度分布（總角 動量為〇);
[0024] 圖4為本發(fā)明超穎全息表面區(qū)域A生成的表面等離子體波聚焦場強度分布（總角 動量為-狀）；
[0025] 圖5為本發(fā)明超穎全息表面區(qū)域B生成的表面等離子體波聚焦場強度分布（總角 動量為〇);
[0026] 圖6為本發(fā)明超穎全息表面區(qū)域B生成的表面等離子體波聚焦場強度分布（總角 動量為3/0 ;
[0027] 圖7為本發(fā)明超穎全息表面區(qū)域C生成的表面等離子體波聚焦場強度分布（總角 動量為〇);
[0