前沿| 可集成方法产生携带轨道角动量的史密斯-帕塞尔辐射- 大数跨境

首页

前沿| 可集成方法产生携带轨道角动量的史密斯-帕塞尔辐射

两江科技评论

2020-09-02

导读：清华大学电子工程系黄翊东教授领导的微纳光电子实验室提出了利用周期群聚的自由电子与全息光栅相互作用产生携带OAM的“涡旋SPR”的可集成方法。

Photonics Research 2020年第8期封面文章：

Mengxuan Wang, Fang Liu, Yuechai Lin, et al. Vortex Smith–Purcell radiation generation with holographic grating[J]. Photonics Research, 2020, 8(8): 08001309

主编点评

史密斯-帕塞尔效应（Smith–Purcell effect）是Steve Smith师从Edward Purcell期间发现的一个有趣现象：当电子束掠过一个周期性的结构（如光栅）时，会产生电磁辐射（radiation of electromagnetic waves）。基于电子束的能量，产生的可以是不同频段的光，比方说如果是几个keV的低能电子束，那么可以产生可见光。通过这个效应，我们可以把电子束的能量转化为光！比如说这个效应可以用来设计制备自由电子激光器（Free electron laser）。

这个效应也可以看成是切连科夫效应（Vavilov-Cerenkov effect）的一个特殊例子：当带电粒子（比如电子）通过介质材料，如果该粒子的速度超过光在该介质的传播速度的话，就会产生电磁辐射。虽然在大部分情况下，我们用频率、速度、相位、振幅等等就足以描述光，但其实对于一个在空间传播的具有矢量特征的光，有更多的自由度可以描述它。

在1992年，Allen L. Beijersbergen和他的同事证实了光的轨道角动量（Orbital Angular Momentum，OAM）的存在，这个新的自由度为光开辟了新的应用，提高了光电器件的功能。

清华大学电子工程系黄翊东教授领导的微纳光电子实验室提出了利用周期群聚的自由电子与全息光栅相互作用产生携带OAM的“涡旋光”的可集成方法。该文章被选为Photonics Research 2020年第8期的封面。

杨兰主编华盛顿大学

史密斯-帕塞尔辐射（Smith-Purcell radiation，SPR）是自由电子飞过衍射光栅表面时产生的电磁辐射，其在自由电子光源和电子加速器等领域扮演着重要的角色。SPR的产生机制可以理解为飞行自由电子周围的倏逝场被光栅散射到自由空间的过程。因此，通过改变自由电子的形态或与电子相互作用的微纳结构，可以调控SPR的波长、功率和偏振等特性。

近年来，研究人员发现了电磁波的一个新自由度，即轨道角动量（OAM），它使得光束具有涡旋形的截面光场和螺旋形的等相位面。OAM波束有趣的特性吸引了众多研究者的关注，其在光通信、微粒子操控和纳米结构加工等领域具有重要的应用前景。

清华大学电子工程系黄翊东教授领导的微纳光电子实验室提出了利用周期群聚的自由电子与全息光栅相互作用产生携带OAM的“涡旋SPR”的可集成方法。相关研究结果发表在Photonics Research 2020年第8期上。

基于平面全息光栅的 “涡旋Smith-Purcell辐射”产生

利用倏逝波作为参考光，与OAM波束干涉可以得到平面全息光栅结构，其可以保存OAM波束的波前信息。当周期群聚的自由电子飞越全息光栅表面时，自由电子周围的倏逝场与全息光栅相互作用，可还原出OAM光束的波前，形成涡旋SPR。

仿真结果表明，该方法适用于产生微波、太赫兹、红外、可见光和紫外波段的不同拓扑数的涡旋SPR；此外，只需极低能量的自由电子便可以产生该辐射，为实现片上集成涡旋SPR提供了可能。研究工作还同时发现了高阶SPR的OAM拓扑数等于一阶SPR的OAM拓扑数乘以辐射阶次这一重要规律。

论文通讯作者刘仿副教授认为，该工作不仅可以实现SPR的OAM维度的操控，而且提供了一种适用于多个波段、波长可调谐、可集成的自由电子OAM光源的新方法。

未来的工作将致力于实验观测携带OAM的SPR辐射，并研制出自由电子OAM光源芯片。

文章推荐：

Xian-Zhu Meng, Ming-Hong Wang, Li-Ming Zhang, Zhong-Min Ren. Characteristic analysis of a Smith–Purcell terahertz source[J]. Photonics Research, 2016, 4(5): 05000162

End

推荐阅读