[发明专利]一种强聚焦条件下生成亚波长时空涡旋的方法

说明书

本发明公开了一种强聚焦条件下生成亚波长时空涡旋的方法，该方法根据焦场在时空域内的拓扑荷数定制入射时空波包，所定制的波包经高数值孔径的透镜聚焦后，可在焦平面上生成亚波长尺度内具有预定横向轨道角动量的时空涡旋光场。本发明实现运用强聚焦条件下生成亚波长时空涡旋的方法，用于解决自由空间中的时空涡旋经高数值孔径透镜聚焦后时空螺旋相位被破坏的问题。

技术领域

本发明涉及微纳光学技术领域，具体为一种强聚焦条件下生成亚波长时空涡旋的方法。

背景技术

光子角动量作为光子内秉特性之一，是纳米光子学一个重要研究方向，可广泛应用于大容量超高速光通信、量子信息处理、光镊、超分辨显微成像、自旋轨道耦合等领域，其与微纳结构的相互作用极有可能给这些领域带来里程碑式的发展。光子的角动量分为自旋角动量和轨道角动量两种类型。电场或磁场振动方向的旋转产生光子自旋角动量，其大小由光子的偏振螺旋度决定，通常自旋角动量的自旋轴方向平行于光束传播方向，亦称之为纵向自旋角动量。在空间域内，光场的轨道角动量可以用涡旋波前表示，其中是光束横截面内的方位角，l是任意的正负整数，称之为拓扑荷。与纵向自旋角动量类似，这种轨道角动量使涡旋光场的能流绕着平行于光束传播方向的轴流转，故称之为纵向轨道角动量。

随着光场调控理论与技术的快速发展，人们对光子角动量的认知也在不断深化。2013年，Banzer等人首次在实验中测量到纯横向自旋角动量，其自旋轴垂直于传播方向，颠覆了光子只具有纵向自旋角动量的传统认知。其实早在1959年，Richards和Wolf在其著名的矢量衍射理论中就曾指出：在一个光学聚焦系统的聚焦平面上，电场和磁场存在纵向分量，并且纵向分量和横向分量的相位差为λ/2。以现在的理论观点来讲，这一结论即意味着存在不为零的横向自旋角动量。与之相对应，通过引入时间域内的相位变化，可以获得纯横向轨道角动量，所形成的涡旋光束绕着垂直于其传播方向的轴旋转。

由于时空涡旋光束为光场调控提供了一个全新的维度，近年来吸引了越来越多的研究人员的关注，成为光学领域研究的前沿热点。J.F.Nye等人分析了超声波脉冲经粗糙表面反射后其散射波列存在错位这一现象，在理论上证明散射波中存在时空涡旋。N.Jhajj等人通过超强激光脉冲与空气的非线性作用，在实验上证实了时空光涡旋的存在；不过所形成的光场中只有一小部分能量带有横向OAM。S.W.Hancock等人演示了自由空间中时空涡旋光束的产生与传播，使用瞬态光栅单发超连续光谱干涉法完成时空涡旋光束相位和幅度的测量。A.Chong等人利用基于空间频率-频率面到空间-时间面的傅里叶变换，成功生成并表征了携带横向光子轨道角动量的超短脉冲光学波包。目前的研究成果仅限于自由空间中的时空涡旋光束的生成。自由空间中的时空涡旋光束经高数值孔径的透镜聚焦后，会发生劈裂现象，即透镜焦平面上的光场不再具有时空螺旋相位。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种强聚焦条件下生成亚波长时空涡旋的方法，用于解决自由空间中的时空涡旋经高数值孔径透镜聚焦后时空螺旋相位被破坏的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种强聚焦条件下生成亚波长时空涡旋的方法，包括以下步骤：

S1、根据焦场时空涡旋的拓扑荷N，确定时空涡旋焦场的拉盖尔高斯模

S2、将时空涡旋焦场的拉盖尔高斯模进行模式分解，得到同阶数的厄米高斯模其中n和m的组合称之为阶数；

S3、将厄米高斯模作为高数值孔径透镜的入射场，所述入射场通过透镜聚焦得到轨道角动量为N的亚波长时空涡旋。

优选的，所述步骤S1中的拉盖尔高斯模其n+m＝|N|。当螺旋相位在x-t面内，N≥0时，m＝N，n＝0；当N0时，m＝0，n＝|N|。

优选的，所述步骤S2中的拉盖尔高斯模与厄米高斯模可以用如下表达式关联起来：

其中，实系数b(n,m,k)为：