Light| 动量变换超构表面实现自旋和轨道角动量同时检测

撰稿 | 郭迎辉

自旋角动量(SAM)和轨道角动量(OAM)分别反映了光子的偏振特性和相位分布，丰富了光与物质相互作用的维度。尤其是不同OAM模式之间相互正交且理论上具有无限多种取值，有望显著提升通信容量。因此，OAM的高效产生与检测是实现上述应用的关键之一。

传统OAM检测方法存在系统复杂、难以集成、检测模式数有限、效率低、难以实现SAM和OAM的同时检测等难题。近日，来自中科院光电所的研究团队利用单个自旋解耦超构表面的动量变换实现了SAM和OAM的快照式同时检测，有望解决上述难题。

早期OAM的检测主要利用与已知参考波前的干涉效应或经特殊形状小孔后的衍射效应，光学系统通常比较复杂。基于全息衍射光栅或空间光调制器的重复投影式检测方法则存检测效率较低等问题，尤其是大模式空间范围的检测。

近年来，出现了基于光学变换的OAM检测新方法，例如 log-polar变换，可以将接收到的OAM模式变换成焦平面内不同横向偏移的聚焦焦斑。该方法可实现大模式空间范围内任意OAM的快照式检测，并且可以以一定间隔同时探测多个OAM模式。然而，现有的光学变换方法大多需要两个或多个特殊面型的光学元件，且它们之间需要以特定的距离精确对准，因此难以实现单片集成化。此外，现有的光学变换方法无法实现SAM和OAM的同时检测。

二次相位超构表面是一种相位沿半径呈二次函数关系的超构表面，中科院光电所的研究团队提出了基于二次相位超构表面的旋转—平移对称变换原理，能够将任意倾斜角度的平面波变换为焦平面内横向偏移的聚焦焦斑【Optics express, 2017, 25(25): 31471-31477】，如图1(a)所示。基于上述变换原理，该团队近期利用单个二次相位超构透镜实现了178°视场范围的波束扫描和广角成像【Advanced Materials, 2021, 33(11): 2008157】。

在上述工作的基础上，该团队将旋转—平移对称变换关系拓展到极坐标系下，提出了基于角向二次相位超构表面的动量变换原理，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。该方法保留了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。此外，由于仅需单个超构表面器件，具有体积小、系统简单的优点。

图1 基于二次相位的光学变换。(A) 旋转—平移对称变换，(B)动量变换

为了实现SAM和OAM的同时检测，该团队利用基于传播相位和几何相位融合的非对称光子自旋轨道相互作用，构建了自旋解耦的角向二次相位超构表面。不同自旋的涡旋光束经自旋解耦超构表面后产生不同的角向偏移（±π/2），分别被映射到两个半平面内，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

由于圆柱形偏振矢量涡旋光束（Cylindrical Vortex Vector Beam，CVVB）可以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CVVB的相位奇点（l）和偏振奇点（m）的同时检测，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

本文所提出的基于自旋解耦角向二次相位超构表面的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，所提出的方法有望在光学测量和光通信等领域获得应用。

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。