南大科研團隊在多維度光學(xué)信息檢測研究方向取得新進展
近日，南京大學(xué)現(xiàn)代工學(xué)院徐挺教授和陸延青教授團隊提出一種可同時對入射光場的偏振信息、軌道角動量信息和波長信息產(chǎn)生響應(yīng)的集成化全介質(zhì)超構(gòu)表面。該研究成果以"Broadband Detection of Multiple Spin and Orbital Angular Momenta via Dielectric Metasurface"為題，發(fā)表于知名光學(xué)期刊《Laser & Photonics Reviews》。（LPR 2020, 2000062. https://doi.org/10.1002/lpor.202000062）。 ?4':~;~
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光場的多維調(diào)控是微納光學(xué)的重要研究方向，而超構(gòu)表面在光場調(diào)控中的優(yōu)異表現(xiàn)有目共睹，因此研究者開始關(guān)注超構(gòu)表面的復(fù)用和多種功能一體化實現(xiàn)，從而進一步推動集成納米光子學(xué)的發(fā)展。其中復(fù)用是通訊和計算機網(wǎng)絡(luò)中的常用概念，意為在一個信道上傳輸多路信號或數(shù)據(jù)，而在光學(xué)中通常意味著多個自由度作為獨立的信號通道。利用各項異性結(jié)構(gòu)單元實現(xiàn)偏振復(fù)用是復(fù)用超構(gòu)表面的常用解決方案之一，此外超構(gòu)表面可控的自由度還有波長、角度和模式等，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計可以將多個信息維度和功能集成到同一超構(gòu)表面上。在超構(gòu)表面相關(guān)的光場調(diào)控應(yīng)用中，軌道角動量作為光場重要的內(nèi)稟性質(zhì)，在光場成像、全息及通信等領(lǐng)域都有著重要應(yīng)用，因此相關(guān)的研究方向一直以來廣受研究者關(guān)注。 -PV1x1|
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圖1. 基于全介質(zhì)超構(gòu)表面的多維光學(xué)信息檢測 ?I=1T.
在以往的研究中，OAM檢測的實現(xiàn)手段包括等離激元光學(xué)器件，變換光學(xué)系統(tǒng)和達曼渦旋光柵等。無疑這些方法給OAM的檢測提供了新的思路，但同時也帶來了其他限制。針對以上問題，該研究提出一種基于單層全介質(zhì)超構(gòu)表面的OAM解復(fù)用器件，可以用于光場信息的多維度檢測，包括光的SAM信息，OAM信息和波長信息。超構(gòu)表面的設(shè)計結(jié)合了兩種類型的光學(xué)相位調(diào)制，包括幾何相位和動態(tài)相位，可以解決SAM信息丟失的問題。而介質(zhì)材料在可見光波段的低損耗特性可以進一步提高透射型器件的效率。當(dāng)攜帶不同SAM和OAM模式的共軸光束經(jīng)過該解復(fù)用器件后，被衍射為一系列沿不同波矢方向傳輸?shù)臏u旋光束。入射光的本征SAM和OAM信息被轉(zhuǎn)化為光場強度的空間分布信息，可以通過成像系統(tǒng)進行采集和分析。此外，由于超構(gòu)表面的寬帶響應(yīng)特性和動量守恒原則，該器件可以進一步對波長信息進行解復(fù)用。通過該器件可以將帶有不同SAM，OAM和波長信息的復(fù)雜疊加場解復(fù)用，并將三個信息維度作為獨立信道處理。因此該器件有望在集成化的微納光學(xué)系統(tǒng)和量子通信系統(tǒng)中發(fā)掘應(yīng)用。該器件能夠直觀建立起光場多維信息與光場分布圖樣的聯(lián)系，對于提高系統(tǒng)的信息容量有著重要意義。而由于超構(gòu)表面的平面結(jié)構(gòu)和超薄化等特點，該解復(fù)用器在集成光通信系統(tǒng)和量子信息系統(tǒng)中有著廣闊的應(yīng)用前景。 DMUirA;
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圖2. 多維光學(xué)信息檢測仿真與實驗結(jié)果對比 [[|#} D:L
南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院17級博士生張思博為論文第一作者，徐挺教授、陸延青教授為共同通訊作者，霍鵬程同學(xué)、陳鵬副研、劉明澤同學(xué)對本文亦有重要貢獻。該研究由國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中央高�；究蒲袠I(yè)務(wù)費等項目資助完成。
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