澳门太阳娱乐在线网址陆延青教授团队开发宽带多路并行OAM处理器,方面取得进展
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(现代工程与应用科学学院 科学技术处)

当一束光的波前符合Ψ1 = exp 时,会具有螺旋相位。对于这类光束,其波印亭矢量虽然整体向前,但是有横向分量,其指向在空间不断地打转,因此带来了轨道角动量OAM。形象说来,其光波前像意大利螺旋面一样沿着光的传播方向呈螺旋扭曲状排布;由于光束中间是位相的奇点,只有在光强为零的条件下才能够得以满足,故光束中间总是个黑点,如果将光束投射到屏幕上会呈现涡漩状。光涡旋及OAM的存在说明了研究历史悠久的光仍然存在着新奇的特性,近年来吸引了科研人员的强烈关注和广泛研究。

针对这一挑战,胡伟副教授、陆延青教授研究团队在前期光取向液晶制备叉形光栅(涡旋光与平面波倾斜相干的干涉图样)Adv. Mater. 2014, 26, 1590-1595和达曼叉形光栅(进一步引入二值化处理使得目标衍射级次等能量分布)Phys. Rev. Appl. 2016, 5, 044009的基础上,创造性地引入胆甾相液晶(cholesteric liquid crystal, CLC),利用CLC对特定波段内(nop–nep,即,布拉格反射带内)与CLC螺旋具有相同旋性的圆偏振光分量具有相等的反射率这一特性,来打破传统液晶光学元件的波长依赖性。进一步的,他们利用液晶光配向技术来诱导CLC螺旋超结构的自组装行为,实现了两种周期性交替排列的螺旋柱,并首次提出了数字化螺旋超结构的概念。该独特设计将达曼叉形光栅的二值化相位赋予CLC螺旋超结构,实现了对反射光几何相位的局部调制,而透射部分的具有相反旋性的圆偏振光则保持波前不发生相对变化。基于此,他们开发出一种全新的涡旋光“处理器”,验证了116 nm波段范围内25个OAM模式的等效产生,并进一步实现了OAM混合态涡旋光束的模式解复用与在线无损检测。

我校现代工程与应用科学学院陆延青教授研究组在利用液晶光取向技术产生并调控光涡旋方面取得进展,该研究成果于2014年3月12日发表在材料领域权威期刊《先进材料》上(Adv. Mater. 2014, 26, 1590-1595)。

该研究提供了一种简单实用的宽波、高效、大容量、在线式OAM并行处理的途径,并能够有效避免模式损坏和模间串扰,可望从根本上解决限制OAM模式复用与波分复用结合的关键技术难题。该研究成果吸引了华为和光迅等公司的强烈兴趣。其实,宽带多路并行OAM处理器只是该数字化螺旋超结构的一个应用例证。新结构的提出与实现也为软物质超结构的精确受控生长提供了全新的思路,并有望为先进光子元件的设计开发开辟出一条崭新的道路。

图2不同m值的叉形光栅用于光涡旋的产生及调控

相位型涡旋光场的螺旋形波前可用Ψ1 = exp 来进行描述。对于这类光束,其坡印廷矢量虽然整体向前,但是有了横向分量,其指向在空间内不停地打转,因此带来了轨道角动量(orbital angular momentum,OAM)。OAM赋予了光子调控一个全新的维度,打开了一条光信息复用的新通道。拓扑荷m的无限性意味着OAM态也是无限的,因此,通过OAM复用可极大地增加无线及光纤通信的带宽。将基于OAM的模分复用技术与现行的波分复用技术相结合一直是光学界热切期盼解决的一项关键难题。现有的涡旋光束产生与检测技术,如:模式转换、螺旋位相板、Q-plate、叉形光栅等,都对波长非常敏感,其效率随波长会发生显著的变化,这严重制约了OAM复用技术的发展与应用。

陆延青教授、胡伟副教授等利用光取向技术取向控制灵活和图形分辨率高的特点,基于前期光取向液晶微结构制备技术开发【Opt. Express 2012, 20, 5384; Opt. Express 2012, 20, 16684; Opt. Express 2013, 21及相关应用探索【Appl. Phys. Lett. 2012, 100, 111116; Appl. Phys. Lett. 2012, 101, 031112; Opt. Lett. 2012, 37, 3627】方面的研究经验,开发了一种全新的产生及调控光涡旋的技术方法。他们对前期自行研制的一套基于数控微镜阵(DMD, Digital Micro-mirror Device)的缩微投影系统进行了进一步改进,结合液晶光取向技术,制备了不同m值、不同取向模式的液晶叉形光栅,进而实现了快速响应、可重构、偏振和波长不敏感的高效高质量的光涡旋产生。液晶叉形光栅测试结果显示,对不同波长、任意偏振入射的可见光均获得了高达75%的±1级涡旋光转化效率。调节施加电压,可使光能完全转至零级,一级及高阶衍射斑完全消失,达到很好的开关态效果,引入双频液晶后,开关响应均达到亚毫秒量级。由于所用取向剂具有良好的可擦写特性,通过对样品再次曝光,实现了叉形光栅m值的实时擦写。该工作为制备低电压、低功耗、高效率、可电调、可光重构、偏振和波长不敏感的涡旋光束产生器提供了新的途径,并可推广应用到光通讯及THz波段,对涡旋光的应用拓展提供了铺垫。研究开发的数控微镜阵微光刻系统可用于实现任意液晶微结构图形和取向方向的实时控制,为可调控微纳光学研究提供了一种有效的技术手段。

最近,我校胡伟副教授、陆延青教授团队利用光控胆甾相液晶自组装螺旋超结构开发出宽带多路并行的OAM处理器。该成果以Digitalizing self-assembled chiral superstructures for optical vortex processing为题,于2018年1月15日在线发表在《先进材料》上(Adv. Mater. 2018,30, 1705865)。

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