图1 紧聚焦完美涡旋光场偏振及热点分布
1. 导读
涡旋光携带有轨道角动量(OAM)的这一特性使其在存储、加密、通讯等领域具有很多新奇的重要应用。近年来引发许多关注，而轨道角动量的内在正交性使其成为光学加密的理想载体。然而，传统涡旋光场的环形强度分布对拓扑荷的依赖性限制了纳米尺度下光与物质的相互作用并使OAM的应用变得复杂化。完美涡旋光(POV)的出现某种意义上克服了这一缺陷，但这种光场现有的生成方法复杂，同时在纳米尺度下的应用研究鲜有报道。
针对这些问题，近日暨南大学李向平教授团队在Nanophotonics发表最新文章，提出了一种仅由单一相位型空间光调制器产生完美涡旋光场的新方案，使用一种互补的环形01孔的编码方案同时实现振幅调制和相位调制，从而在紧聚焦系统的焦平面上生成半径可控的POV。这种具有相同强度分布但局部OAM 密度不同的聚焦 POV 光束被应用于无序耦合的金纳米棒聚集体，以选择性地激发电磁热点，通过光热机制对信息进行记录。最终，团队展示了使用无序金纳米棒体系作为介质，多个OAM态结合不同偏振所实现的光学图像加密的实验结果。
该研究成果不仅为产生 POV 光束提供了一种简便易行的新思路，而且为未来光存储、光通信等领域中基于完美涡旋光束OAM在纳米尺度上的研究提供了新的应用方式及研究思路。
2. 研究背景
光学涡旋由于其携带轨道角动量这一特质而引起了大量、广泛的研究。产生了多种在各领域的应用，包括光捕获、超分辨率成像、激光、光通信和超表面等。特别由于OAM 态的内在正交性，所以涡旋光被认为是一种出色的信息载体，可用于多路复用以提高光通信和全息加密的信息容量。然而，涡旋光的环形强度分布和峰值强度变化为其拓扑荷的函数。这种依赖关系使纳米尺度的光与物质相互作用和轨道角动量的复用变得复杂，并且这些在需要将多个 OAM 光束耦合在同一光路形成复用的应用中成为极大的问题。
为了解决上述问题，科学家们在这方面引入了完美涡旋光束的概念，其产生的光束的环形强度分布不受拓扑电荷变化的影响。理想的POV光束可以被视为贝塞尔光束的傅里叶变换，产生这种 POV 光束的一般方法通常涉及锥形透镜相位函数与涡旋相位的叠加，这已通过超表面元件、数字微镜器件 (DMD)、锥形棱镜和液晶空间光调制器 (SLM)等方式实现。然而这些产生方式有些需要复杂的光路设计不能灵活改变其拓扑荷数，有些则会产生极大的旁瓣干扰信息的记录或者在紧聚焦条件下会发生焦平面的偏移。
3. 创新研究
针对上述挑战，研究人员调研了产生POV的各种方式及其理论推导过程，提出一种仅使用单一相位型SLM实现紧聚焦POV的新方法。参考贝塞尔高斯光束傅里叶变换生成准POV的过程，研究者尝试使用基于近似理想贝塞尔函数傅里叶变换后的复振幅分布所生成的相位调制图对紧聚焦物镜入瞳的光场进行调控，结合互补的01环形孔及欧拉公式，使用相应编码将原复振幅光场的振幅调制和相位调制变成两个相位调制图再进行重新组合生成最终的相位调制图(见图2)，根据该调制结果进行仿真在焦平面上计算得到了POV光场分布(见图2),有了相应的光场分布之后，在POV光场中计算了相应截面上的偏振分布(见图1)。
图2 完美涡旋相位图计算过程示意图
研究人员在这些仿真结果的基础上进行了相应实验，将计算得到的相位图加载到SLM上对光场进行调制，在高NA物镜的焦平面上观测到了POV光场分布，随后令该光场与高斯光相干涉对其进行表征，得到了不同拓扑荷POV所对应的干涉条纹(见图3)。实验结果与仿真结果完美吻合证明了该方法的可行性。
图3 不同拓扑荷POV的强度分布及对应的干涉图案
图4 光学图像加密及编解码实验结果
4. 应用与展望
本文作者分别是Qingshuai Yang, Zijian Xie, Mengrui Zhang, Xu Ouyang, Yi Xu, Yaoyu Cao, Sicong Wang, Linwei Zhu and Xiangping Li, 其中Xiangping Li教授为通讯作者。李向平教授团队隶属于暨南大学光子技术研究院，该工作得到了国家自然科学基金、广东省创新创业基金、广东省重点领域发展规划和广州珠江新星计划等基金的支持。
