Laser Photonics Rev.封面 | 哈理工朱智涵、南大陆延青/陈鹏联合团队：液晶超构几何相位实现任意自旋-轨道互易

撰稿|由课题组供稿

近日，哈尔滨理工大学朱智涵与南京大学陆延青、陈鹏联合团队在基于液晶光子学的光场调控技术研究方面取得重要进展：围绕平面光学任意自旋-轨道耦合（SOC）互易接口的物理实现，开发出一种具备任意自旋共轭空间复振幅调控能力的液晶超构几何相位元件，为开展基于光子SOC态编码的高维经典及量子信息实验研究提供重要工具。相关成果以“Toward Arbitrary Spin-Orbit Flat Optics Via Structured Geometric Phase Gratings”为题发表于Laser & Photonics Reviews，并被编辑部推选为即将印刷发表的第5期正封面论文。

SOC光子态是指光场自旋（偏振）与傍轴空间模式发生不可分离耦合形成的“自由度间纠缠态”。在相干态表象下的经典SOC光子态具备各向异性的偏振、振幅及相位光束横向结构，在新型多模态空分复用技术以及基于光-物质相互作用的应用研究中扮演重要角色；而粒子数表象下SOC光子独特的非经典结构能够用于一系列新型高维光量子信息处理方案，如高维量子秘钥、CNOT门控以及隐形传态等。无论对于量子还是经典应用，目标SOC态与标量偏振态间的互易转换接口是实现该类结构光子态的产生、调控及表征的重要物理途径。

SOC互易接口的物理基础是自旋相关的空间光调制，其中几何相位平面光学元件由于高效、紧凑及易集成等优点已被广泛用于相关研究中。然而，目前以q-plate、J-plate为代表的此类SOC元件只提供自旋相关的相前（phase only）控制能力。振幅调控能力的缺失导致无法利用光场的全部空间维度（特别是径向模态），也就无法制备与表征光束结构能够稳定传播的本征矢量傍轴模式。这一瓶颈问题严重阻碍了SOC态在相关领域的进一步深入研究。

针对上述瓶颈问题，哈理工朱智涵与南京大学陆延青、陈鹏联合团队基于液晶光控取向技术开发出一种具备任意自旋共轭空间复振幅调控能力SOC元件——超构几何相位光栅（SGPG）。针对目标调控光场的矢量空间结构，逆向设计具备空间变化取向、周期及相位深度的共轭几何相位，即可获得用于实现目标自旋相关复振幅调控的液晶取向分布。设计的SGPG与液晶偏振光栅搭配使用，即可实现任意目标SOC态与对应标量偏振基模态（能被单模光纤高效耦合的近高斯态）间的高效互易转换（见图1）。

图1 基于超构几何相位光栅的任意自旋-轨道耦合互易接口。

基于上述原理，研究团队设计并制备了一系列SGPG，用于产生及表征由N = 6阶Laguerre–Gauss、Ince–Gauss及Hermite–Gauss共轭傍轴本征模式构造的稳定传播SOC态。如图2所示，实验搭建的SOC互易接口一方面能够将标量偏振模式精确转换为高质量的目标SOC态（第一列矢量光斑），也可将产生的SOC态再次精确转换回能够高效耦合进单模光纤的标量偏振态（第二列光斑）。此外，基于SOC投影测量结果理论重构出的光束矢量分布（第三列矢量光斑）与第一列中的实验产生结果高度一致，证明了SOC元件及系统的可靠性。

此外，在文章补充附录中还首次给出能够精确预测光场矢量结构在SOC投影（或空间互相关）测量中的结构演化理论及模型，为相关工作的进一步开展提供了理论指导。本工作开拓了基于平面光学元件的SOC光场空间结构全维度精确调控技术，为基于SOC态的高维经典及量子光场制备、调控与接口研究提供了重要技术支撑。

图2 利用任意SOC互易接口产生及表征基于N = 6阶（a）Laguerre–Gauss，（b）Ince–Gauss，（c）Hermite–Gauss共轭模式的SOC态。

图3 Laser Photonics Rev.Issue 5封面故事：基于液晶超构几何相位实现任意自旋-轨道互易转换接口。

该研究工作于2023年2月8号以“Toward Arbitrary Spin-Orbit Flat Optics Via Structured Geometric Phase Gratings”为题在线发表在Laser & Photonics Reviews上（DOI：10.1002/lpor.202200800），并被编辑部推选为即将印刷发表的第5期正封面（outside front cover）论文（见图3）。哈尔滨理工大学测通学院2021级博士研究生李春宇（原物理系16级本科生及20级硕士研究生）与南京大学现代工学院21级直博生刘思嘉为共同第一作者，哈尔滨理工大学朱智涵与南京大学陈鹏、陆延青教授为共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金、科技创新2030重大项目、江苏省前沿引领技术基础研究专项等资助。

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202200800