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液晶几何相位技术实现光场空间结构全维度调控

李春宇 于丙石 赵波 CarmeloRosales-Guzmán 白振旭 朱智涵

李春宇, 于丙石, 赵波, CarmeloRosales-Guzmán, 白振旭, 朱智涵. 液晶几何相位技术实现光场空间结构全维度调控[J]. 红外与激光工程, 2023, 52(8): 20230396. doi: 10.3788/IRLA20230396
引用本文: 李春宇, 于丙石, 赵波, CarmeloRosales-Guzmán, 白振旭, 朱智涵. 液晶几何相位技术实现光场空间结构全维度调控[J]. 红外与激光工程, 2023, 52(8): 20230396. doi: 10.3788/IRLA20230396
Li Chunyu, Yu Bingshi, Zhao Bo, Carmelo Rosales-Guzmán, Bai Zhenxu, Zhu Zhihan. Full control of structured light with liquid-crystal geometric phase[J]. Infrared and Laser Engineering, 2023, 52(8): 20230396. doi: 10.3788/IRLA20230396
Citation: Li Chunyu, Yu Bingshi, Zhao Bo, Carmelo Rosales-Guzmán, Bai Zhenxu, Zhu Zhihan. Full control of structured light with liquid-crystal geometric phase[J]. Infrared and Laser Engineering, 2023, 52(8): 20230396. doi: 10.3788/IRLA20230396

液晶几何相位技术实现光场空间结构全维度调控

doi: 10.3788/IRLA20230396
基金项目: 国家自然科学基金项目(62075050, 11934013, 61975047)
详细信息
    作者简介:

    李春宇,女,博士生,主要从事光场调控方面的研究

  • 中图分类号: O439

Full control of structured light with liquid-crystal geometric phase

Funds: National Natural Science Foundation of China (62075050, 11934013, 61975047)
  • 摘要: 几何相位平面光学元件由于高效、紧凑及易集成等优点已被广泛用于光场空间结构调控。但以q-plate为代表的此类元件只提供自旋相关的波前控制能力,振幅调控能力的缺失导致无法利用光场的全部空间维度,严重阻碍了相关领域研究的进一步深化。笔者团队在国家自然科学基金等项目资助下,以液晶人工微结构中的几何相位为物理基础设计并论证一系列新型几何相位元件,解锁了平面光学技术对近轴结构光场的全维度调控能力,为高维经典及量子信息等需要依托光场调控技术的实验研究提供了重要工具。
  • 图  1  基于SGPG构建的任意SOC互易接口(SGPG:几何相位光栅,PG:偏振光栅)

    Figure  1.  Schematic of reciprocal SOC interface based on SGPGs(SGPG: Structured geometric phase grating, PG: Polarizing grating)

    图  2  基于液晶几何相位原理的(a)高阶空间模式产生器与(b)空间模式转换器

    Figure  2.  (a) High-order spatial mode generator and (b) true zero-order convertor enabled by liquid-crystal geometric phase

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出版历程
  • 收稿日期:  2023-07-03
  • 修回日期:  2023-07-10
  • 录用日期:  2023-07-10
  • 刊出日期:  2023-08-28

液晶几何相位技术实现光场空间结构全维度调控

doi: 10.3788/IRLA20230396
    作者简介:

    李春宇,女,博士生,主要从事光场调控方面的研究

基金项目:  国家自然科学基金项目(62075050, 11934013, 61975047)
  • 中图分类号: O439

摘要: 几何相位平面光学元件由于高效、紧凑及易集成等优点已被广泛用于光场空间结构调控。但以q-plate为代表的此类元件只提供自旋相关的波前控制能力,振幅调控能力的缺失导致无法利用光场的全部空间维度,严重阻碍了相关领域研究的进一步深化。笔者团队在国家自然科学基金等项目资助下,以液晶人工微结构中的几何相位为物理基础设计并论证一系列新型几何相位元件,解锁了平面光学技术对近轴结构光场的全维度调控能力,为高维经典及量子信息等需要依托光场调控技术的实验研究提供了重要工具。

English Abstract

  • 随着现代光学的迅速发展,光学自旋-轨道耦合(Spin-Orbit Coupling,SOC)效应的揭示与研究深入使其在光场调控、显微成像、量子通信、光与物质相互作用等领域受到广泛关注。无论对于量子还是经典应用,目标SOC态与标量偏振态间的互易转换接口是实现该类结构光子态产生、调控及表征的重要物理途径。SOC互易接口的物理实现需要自旋相关的空间光调制,目前有两种可行的技术路线:一种是包含空间光调制器,如硅基液晶或数字微镜的偏振干涉仪,这种装置虽然可以动态、灵活地操控光场矢量空间结构,但价格昂贵、装置复杂不便于集成;另一种则是基于空间变取向液晶或介电超表面几何位相原理的二元平面光学元件[1-2],特点是易于低成本实现可嵌套的多功能集成,使其成为光场调控与微纳光子学研究的共焦点。然而,目前以q-plate、J-plate为代表的二元光学元件只能提供偏振自旋相关的波前调控[3-4],无法精确控制光束的空间振幅。因此无法构建面向任意傍轴矢量本征模式的SOC互易接口,导致现有几何相位元件无法用于需要全维度调控光场空间结构的研究中。

    为了解决上述问题,笔者课题组及合作团队基于液晶光控取向技术论证了一种能够对入射光场实施任意自旋共轭空间复振幅控制的几何相位元件。因该新型平面元件具有空间变化的光栅周期、深度和液晶取向等特征,故称之为结构几何位相光栅(Structured Geometric Phase Grating, SGPG)[5-6]图1为以SGPG为核心元件构建的SOC互易接口原理图,其中的SGPG被设计为将入射基模高斯模式转换为一对共轭正交拉盖尔-高斯模式(携带径向模式)。与偏振光栅搭配使用即可实现任意目标SOC态与对应标量偏振基模态间的高效互易转换:即该自锁相装置可将任意标量偏振模式转换为对应高阶矢量模式,也可将产生的SOC态再次精确转换回能够高效耦合进单模光纤的标量偏振态。这一关键技术的论证为基于高阶SOC态的高维经典及量子光场制备、调控及接口技术研究提供了重要支撑。

    此外,笔者联合团队还揭示并论证了基于液晶几何相位原理的矢量波前调控技术,开发出一系列具备光场空间结构全维度调控能力可商用的液晶几何相位元件。图2(a)和(b)分别展示了一种开发中的液晶高阶模式产生器和空间模式转换器[7-8]。其中液晶高阶空间模式产生器仅需单次通过该元件即可将入射光场精确转换为携带目标空间复振幅的高阶模式;而空间模式转换器则是用于高阶空间模式变换的“真零级波片”,可实现同阶数Laguerre–Hermite–Gaussian模式群内的无相差转换[9]。上述系列技术成果为全维度光场空间结构调控基础及应用研究提供了新的便捷途径。

    图  1  基于SGPG构建的任意SOC互易接口(SGPG:几何相位光栅,PG:偏振光栅)

    Figure 1.  Schematic of reciprocal SOC interface based on SGPGs(SGPG: Structured geometric phase grating, PG: Polarizing grating)

    图  2  基于液晶几何相位原理的(a)高阶空间模式产生器与(b)空间模式转换器

    Figure 2.  (a) High-order spatial mode generator and (b) true zero-order convertor enabled by liquid-crystal geometric phase

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