基于前期光取向液晶微结构制备技术开发【Opt.,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)。

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)。

中国科学院院士、中国科学技术大学教授郭光灿领导的中科院量子信息重点实验室在轨道角动量光子的量子频率转换研究领域取得系列进展:该实验室教授史保森领导的小组在国际上首次实现了OAM单光子、OAM纠缠光子以及OAM与偏振组成的混合纠缠光子的频率上转换,证明了在频率变换过程中单光子的量子相干性和光子对的纠缠特性保持不变。主要研究成果分别发表在《光:科学与应用》[Light:
Sci. Appl. 5, e16019 (2016)]和8月29日的《物理评论快报》[Phys. Rev.
Lett. 117, 103601(2016)]上。论文的第一作者为博士后周志远。

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。

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。

携带OAM的光束在精密测量、微小粒子的囚禁与操控以及基础物理研究等领域具有重要应用,同时基于OAM编码的光信息处理由于其信道容量大的优点已成为光通信领域的研究热点。基于OAM编码构建高维量子网络是目前量子信息领域的一个重要研究方向,并在近几年取得了许多突破性进展,如史保森小组在国际上首先实现了OAM单光子[Nat.
Commun. 4, 2527(2013)]以及OAM纠缠[Phys. Rev. Lett. 114, 050502
(2015)]的量子存储。在量子通信中,作为信息载体的光子需要在低损耗的通信窗口传输,而作为信息存储和处理单元的物理体系其工作波长一般不在通信窗口,因此需要在两者之间建立量子接口以满足量子信息既可被存储又能长距离传输的基本要求,基于非线性过程的光子频率转换就是建立量子接口的一种行之有效的方法。能够实现该功能的转换器可称为量子频率变换器,其基本要求是除了能够按照需要变换光子的频率之外,更重要的是不能破坏原有量子态的量子关联与相干特性。尽管人们已经实现了高斯单光子以及纠缠光子的频率转换,然而迄今为止能否实现和如何实现OAM光子以及OAM纠缠光子的频率转换仍然是一个open
question。

OAM赋予了对光的性质进行调控的一个新自由度,打开了一条光信息复用的新通道。由于拓扑荷m的无限性,光涡旋对应的轨道角动量的态也是无限的。这预示着可以通过OAM复用来极大地增加无线及光钎通信的带宽。此外,用光涡旋来做光镊时,除了像普通光束一样捕获移动介电粒子外,还能够提供一个扭转力,使得对粒子的转动操控也变为可能。基于此,甚至可以对细小物体如DNA进行多维度精确操控。在天文学领域,基于光涡旋的日冕观测仪被用来屏蔽强的背景光以增加天文观测的对比度,这对于系外行星的直接观测起到了有力的推动作用。总之,光涡旋在光纤通信、微纳操控和天文观测等领域都有着广泛的应用。

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。

中科院量子信息重点实验室教授史保森和博士后周志远等从2012年就开始了携带OAM光束的非线性频率转换研究,取得了一系列进展[OL
37,3270 (2012);PRA 85,053815;OE 22, 20298(2014);OE 22,
23673(2014); J. Opt. Soc. Am. B 32, 407
(2015)],并在此基础上取得重要突破:他们利用周期性非线性晶体作为变频介质,采用外腔共振技术提高转换效率,首次成功实现了OAM单光子从红外到可见波段之间的频率上转换,并证明了在频率转换过程中光子的非经典关联和量子相干性保持不变,迈出了基于频率转换器实现量子接口的关键一步[light:
Science Applications 5,
e16019(2016)]。最近,他们又将这项技术提升到一个全新的高度:在国际上首次实现了OAM纠缠光子以及OAM与偏振组成的混合纠缠光子从红外到可见波段的频率转换,并且验证了光子的纠缠特性在转换过程中保持不变[Phys.
Rev. Lett. 117,
103601(2016)]。这一系列工作对实现在不同波长的OAM量子网络的对接和量子信息交互具有重要意义。

迄今为止,科研人员已经开发出模式转换、螺旋位相片、Q-plate、叉形光栅等一系列技术以产生光涡旋。其中叉形光栅技术因其简便性成为一种常用的生成光涡旋的方法,它实际上是涡旋光和平面波倾斜干涉的面内图案。所以,如果入射平面波或高斯光,就可以在衍射级上看到OAM。控制图案结构,可使0级衍射完全消除,光分别衍射到不同的衍射级次上,具有不同的,逐渐增大的拓扑荷。将液晶这类具有优异电光性质的材料应用到其中,可进一步实现即时可调的光涡旋产生。

图片 1

这一系列工作也开辟了量子光学与非线性光学研究的新篇章,为研究高维OAM量子态的相干波长转换、极弱光强下复杂空间光场的上转换探测以及短波长OAM光束的制备具有重要价值。此外,由于红外图像信号在遥感、夜视、天文观测等领域具有非常重要的作用,因而红外图像的高精度探测尤为重要,但常用的红外探测存在设备精度低、分辨率不高、探测效率低且设备昂贵等一系列问题。将图像信号通过频率上转换至可见波段,利用高精度、高灵敏度且价格低廉的可见波段探测设备进行探测是解决以上问题的一条有效途径。史保森小组所取得的系列成果对构建红外信号上转换探测器,解决红外图像信号、特别是微弱信号的检测具有重要价值。

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。

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。

这项工作得到国家基金委、中科院、科技部和量子信息与量子科技前沿协同创新中心的资助。

本论文第一作者为2012级“英才计划”硕士生魏冰妍,胡伟副教授和陆延青教授为共同通信作者,南京大学作为第一单位与Thorlabs、香港科技大学合作完成。该研究得到了学校985工程、江苏省优势学科建设工程等的支持。(现代工学院
科技处)

论文第一作者是2017年度宝钢优秀学生特等奖、协同创新中心英才奖获奖人,南京大学学生年度人物14级直博生陈鹏,第二作者是16级博士生马玲玲,胡伟副教授和陆延青教授为本文的共同通讯作者,我校李涛教授、哈理工朱智涵和高玮教授对本文亦有重要贡献。该研究由国家重点研发计划、自然科学基金项目资助完成,同时感谢人工微结构科学与技术协同创新中心、南京大学十百千工程、中央高校基本科研业务费等平台与项目的大力支持。

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(现代工程与应用科学学院 科学技术处)

图1 自行开发的数控微镜阵缩微投影装置示意图

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图2不同m值的叉形光栅用于光涡旋的产生及调控

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