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物电院本科生在光学类一区期刊《Photonics Research》发表封面论文

日前,物理与微电子科学学院2014级本科生刘振兴在罗海陆副教授指导下,采用电介质q片和螺旋相位片的组合,产生了混合阶庞加莱球上任意点的矢量涡旋光束。这一方案有望实现多个具有不同功能的光学元件的集成,在激光加工、粒子操控、量子信息等方面有着重要的应用前景。相关研究论文《Generation of arbitrary vector vortex beams on hybrid-order Poincaré sphere》在光学类一区期刊Photonics Research(2017年第5卷第1期)上发表,并作为封面文章被推荐。文章链接 https://www.osapublishing.org/prj/abstract.cfm?uri=prj-5-1-15
 
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矢量涡旋光束是指在光束横截面上同时具有非均匀偏振态和螺旋相位结构的新型激光光束。与矢量光束或者涡旋光束相比,矢量涡旋光束在光与物质相互作用中具有更多的自由度。目前,利用空间光调制器、基于液晶的偏振转换器、激光谐振腔等都已能够产生矢量涡旋光束。然而,这些方法所产生的光束通常只限于特定的偏振态,且具有低损伤阈值、低转换效率和大结构尺寸等缺点。
 
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如何找到一种高效率、更灵活、结构紧凑的产生方法,使矢量涡旋光束得到更加广泛的应用呢?刘振兴在罗海陆副教授领衔的自旋光子学课题组研究中,探索采用电介质q片和螺旋相位片的组合,来产生混合阶庞加莱球上任意点的矢量涡旋光束。
 
混合阶庞加莱球用于描述任意矢量涡旋光束,可以让其偏振与相位演化的物理过程变得更加直观。基于混合阶庞加莱球理论,任意的矢量涡旋光束可以分解成一个矢量光束和一个涡旋相因子。其中,矢量光束可以用一块电介质q片产生,而涡旋相因子可以通过螺旋相位片来实现。通过控制入射光的偏振态,即可得到混合阶庞加莱球上相应点的矢量涡旋光束。
 
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图片说明:一个矢量涡旋光束可以分解成一个矢量偏振和一个涡旋相位(如第一行所示)。矢量偏振可以用一块电介质q片产生而涡旋相位可以通过螺旋相位片来实现(对应于第二行)。将q片结构集成到螺旋相位片上,即可形成产生矢量涡旋光束的集成器件。
 
刘振兴回忆说,当时实验难度是比较大的,由于搭建光路的不稳定性,以及精度方面的控制问题,很多次试验没有做出理想的结果。最终,在罗老师的指导和鼓励下,他用了一个多学期的时间坚持完成了实验,并撰写了相关学术论文。
 
该方案的重要特点之一在于q片的结构与螺旋相位片均可制作在二氧化硅玻璃基底上,因此可将两个结构集成在单个玻片上。罗海陆副教授认为,这一方案可实现在一块玻璃片上集成多个具有不同功能的光学元件,在未来的光子学与光电子学中将会有重要应用,比如激光手术中的应用,可实现对光产生稳定、可控的“光学扳手”作用等。课题组在后续工作中将研究系统集成化的问题,进一步提升操控光的偏振与相位的能力。
 
据了解,刘振兴于2015年3月加入物电院自旋光子学实验室。在罗海陆副教授课题组学习研究期间,他参与了4项研究工作,成果分别发表在Photonics Research, Optics Letters, Applied Physical Letter和 Optics Express。他还负责了SIT项目“基于超表面的自旋光子学器件”,并于2016年12月参加湖南省物理学术年会,作了题为“基于电介质超表面调控光的Berry相位”报告。
 
阅读延伸:
Photonics Research是由上海光机所主办,中国激光杂志社与美国光学学会(OSA)出版的开放获取期刊,重点关注光学与光子学领域的研究热点。期刊编委会由世界知名光学与光子学专家组成。根据2016年6月美国汤森路透公司发布的最新期刊引证报告(JCR2015),Photonics Research(PR)获得了首个影响因子3.179,在JCR收录的90种光学类期刊中排名第13位,进入全球排名的Q1区。