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] 祸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θχρα?Φ)，其中Φ表示方位角、1表示拓扑荷，这里并且每个光 子携带的轨道角动量为彷。作为涡旋光场的特征，拓扑荷1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。研宄表明，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，研宄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，研宄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 光场親合为聚焦的表面等离子体波并向各自对应的親合光栅一侧传播，親合光栅将从对应 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 动量为〇);
[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-狀）；
[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 动量为〇);
[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3/0 ;
[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 动量为〇);
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