“2018中國光學十大進展”候選推薦
 

相位型渦旋光場的螺旋形波前可用Ψ1 = exp(imθ) 來進行描述。對于這類光束，其坡印廷矢量雖然整體向前，但是有了橫向分量，其指向就在空間內(nèi)不停地打轉(zhuǎn)，因此帶來了軌道角動量。OAM賦予了光子調(diào)控一個全新的維度，打開了一條光信息復用的新通道。拓撲荷m的無限性意味著OAM態(tài)也是無限的，因此，通過OAM復用可極大地增加無線及光纖通信的帶寬。將基于OAM的模分復用技術(shù)與現(xiàn)行的波分復用技術(shù)相結(jié)合一直是光學界熱切期盼解決的一項關(guān)鍵難題。現(xiàn)有的渦旋光束產(chǎn)生與檢測技術(shù)，如模式轉(zhuǎn)換、螺旋位相板、Q-plate、叉形光柵等，都對波長非常敏感，其效率隨波長會發(fā)生顯著的變化，這嚴重制約了OAM復用技術(shù)的發(fā)展與應用。

 

針對這一挑戰(zhàn)，該研究團隊在前期光取向液晶制備叉形光柵 （渦旋光與平面波傾斜相干的干涉圖樣）和達曼叉形光柵 （進一步引入二值化處理使得目標衍射級次等能量分布）的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造性地引入膽甾相液晶(Cholesteric Liquid Crystal，CLC)，利用CLC對特定波段內(nèi)(nop–nep，即，布拉格反射帶內(nèi))與CLC螺旋具有相同旋性的圓偏振光分量具有相等的反射率這一特性，來打破傳統(tǒng)液晶光學元件的波長依賴性。進一步的，他們利用液晶光配向技術(shù)來誘導CLC螺旋超結(jié)構(gòu)的自組裝行為，實現(xiàn)了兩種周期性交替排列的螺旋柱，并首次提出了數(shù)字化螺旋超結(jié)構(gòu)的概念。該獨特設計將達曼叉形光柵的二值化相位賦予CLC螺旋超結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了對反射光幾何相位的局部調(diào)制，而透射部分的具有相反旋性的圓偏振光則保持波前不發(fā)生相對變化。基于此，他們開發(fā)出了一種全新的渦旋光“處理器”，驗證了116 nm波段范圍內(nèi)25個OAM模式的等效產(chǎn)生，并進一步實現(xiàn)了OAM混合態(tài)渦旋光束的模式解復用與在線無損檢測。

 

 

圖1 （a）數(shù)字化膽甾相液晶顯微照片及其螺旋超結(jié)構(gòu)示意圖;（b）OAM檢測/解復用過程示意圖，In：入射，Tr：透射;（c）寬波段、大容量OAM的等效率生成;（d）OAM混合態(tài)（m=1&3）的產(chǎn)生、解復用與在線檢測

 

該研究提供了一種簡單實用的寬波、高效、大容量、在線式OAM并行處理的途徑，并能夠有效避免模式損壞和模間串擾，有望從根本上解決限制OAM模式復用與波分復用結(jié)合的關(guān)鍵技術(shù)難題。該研究成果吸引了華為和光迅等公司的強烈興趣。其實，寬帶多路并行OAM處理器只是該數(shù)字化螺旋超結(jié)構(gòu)的一個應用例證。新結(jié)構(gòu)的提出與實現(xiàn)也為軟物質(zhì)超結(jié)構(gòu)的精確受控生長提供了全新的思路，并有望為先進光子元件的設計開發(fā)開辟出一條嶄新的道路。

 

相關(guān)成果以 Digitalizing self-assembled chiral superstructures for optical vortex processing 為題，于2018年1月15日在線發(fā)表在 Adv. Mater .  [ 30 ,  1705865 (2018)] 上。論文第一作者是14級直博生陳鵬，第二作者是16級博士生馬玲玲，胡偉副教授和陸延青教授為本文的共同通訊作者，南京大學李濤教授、哈理工朱智涵和高瑋教授對本文亦有重要貢獻。該研究由國家重點研發(fā)計劃、自然科學基金項目資助完成，同時感謝人工微結(jié)構(gòu)科學與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心、南京大學卓越研究計劃、中央高校基本科研業(yè)務費等平臺與項目的大力支持。