自旋与轨道角动量集成探测技术取得重要进展

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光子的角动量包括了自旋角动量(SAM)和轨道角动量(OAM)。SAM与偏振态有关，包括左旋圆偏振（LCP）和右旋圆偏振（RCP）两类。OAM与空间相位分布有关，理论上具有无限多种取值且不同OAM模式之间相互正交，因此常被用于提升通信复用能力以及高维量子信息处理能力。

为满足上述应用需求，需要解决OAM的高效产生与检测等问题。传统OAM检测常采用螺旋相位板、衍射光栅、空间光调制器等光学元件，但由于这类光学元件每次只能检测特定拓扑荷的OAM，要在大的模式空间内（例如，OAM的拓扑荷在-100到100内变化）检测未知的OAM，需要进行多次投影测量导致检测效率较低。近年来，基于log-polar、spiral等光学变换效应的OAM检测方法由于可以实现大模式空间内的检测获得了广泛关注。然而，现有的光学变换方法通常需要多个波前调控元件配合完成，给探测系统的精密对准和集成化带来了诸多挑战。总之，现有的OAM检测方法面临着检测范围受限、检测效率低、光学系统复杂、难以实现多个OAM、SAM和OAM的同时检测等难题。幸运的是，由亚波长结构构成的超构表面可以实现对振幅、偏振、相位等光学参量的多维调控，为解决上述问题提供了契机。

近期，本团队研究人员提出了基于角向二次相位超构表面的动量变换原理，可将不同OAM模式变换成焦平面内不同角向位置的聚焦焦斑。在此基础上，本团队基于单个介质型超构表面器件的非对称自旋轨道相互作用实现了自旋相关的动量变换，为SAM和OAM的快照式同时检测提供了手段。

本工作将旋转—平移对称变换关系拓展到极坐标系下，并提出了基于角向二次相位超构表面的动量变换原理。基于该原理，单个超构表面便能够将正入射的不同OAM光束变换为焦平面内的不同角向分布的聚焦焦斑，如图1（b）所示。当二次相位的系数为l₀时，随着左旋圆偏振OAM光的拓扑荷不断增加，焦点在焦平面内以1/l₀为补偿顺时针步进旋转，最大检测范围为[-πl₀，πl₀]。当l₀ = 40时，测量可超过[-100，100]的范围。因此，该方法不仅保留了传统光学变换方法可实现大模式空间快照式测量、多个混叠模式同时测量的优点，而且仅需单个超构表面器件，具有体积小、系统简单的优点。

图1 基于角向二次相位的光学变换原理。不同拓扑荷的OAM经角向二次相位超构表面后被映射到焦平面内的不同角向位置

为了实现SAM和OAM的同时检测，本工作利用了传播相位和几何相位融合的自旋解耦的角向二次相位超构表面实现自旋相关的动量变换。具体来讲，不同自旋的涡旋光束经自旋解耦超构表面后产生不同角向偏移（±π/2）的动量变换，分别被映射到焦平面上下两个半平面内，同时每个半平面内的焦斑位置随拓扑荷的变化而角向旋转，如图2所示。

图2 532nm波长左旋和右旋OAM的检测结果

除了实现左旋和右旋偏振的OAM探测，本工作提出的方法还可以用于同时具有相位奇点（l）和偏振奇点（m）矢量偏振OAM的探测。可以将这类矢量光束等效为携带不同拓扑荷（l±m）的左旋光和右旋光的叠加，因此自旋相关的动量变换后会在焦平面内产生两个焦斑。通过记录两个焦斑的角向位置，可以实现对矢量OAM的检测，如图3所示。

图3 532nm波长圆柱型偏振矢量涡旋光束的检测结果

    基于单个角向二次相位超构表面的自旋相关动量变换方法可以同时探测涡旋光的SAM和OAM、相位奇点和偏振奇点，并且能够以一定的模式间隔探测多个OAM混叠模式。凭借超小型的器件尺寸、简单的光学配置和出色的涡旋光束检测能力，所提出的方法在集成光学、光学测量、光通信以及量子系统等领域具有广阔的应用前景。

该研究成果以”Spin-decoupled metasurface for simultaneous detection of spin and orbital angular momenta via momentum transformation”为题在线发表在Light: Science & Applications。(DOI:10.1038/s41377-021-00497-7)