一种基于连续域束缚态的涡旋光束的产生方法

本发明属于连续域束缚态，尤其涉及一种基于连续域束缚态的涡旋光束的产生方法。

背景技术：

1、涡旋光是一种以螺旋相位前和相位奇点为特征的光束，涡旋光的螺旋波前表现为围绕中心相位奇点旋转的光束，具有独特的相位特性。由于涡旋光作为一种新的自由度能够携带轨道角动量(oam)，因此在信息编码、光学操作、量子信息处理、超分辨率成像和光通信等领域得到了广泛的应用。例如，在光学操纵领域，旋涡光可用于光学陷阱，通过调节oam来精确操纵微小粒子，这在生物医学和纳米技术等领域具有重要应用。此外，涡旋光还可用于量子通信和量子计算的量子信息处理。在量子通信中，涡旋光用于传输量子比特，而在量子计算中，涡旋光的oam用于编码量子比特。

2、螺旋相板和相控阵天线是产生涡旋光最常用的方法。但是，由于器件厚度等限制，增加了制造和校准的复杂性；随着工作波长的减少，小型化这些结构变得越来越具有挑战性，限制了其在某些应用场景中的使用。虽然小型化的涡旋光器件可以通过超表面实现，但对于单个单元胞结构需要复杂的设计，且可能对制造精度有较高要求。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于连续域束缚态的涡旋光束的产生方法，以解决上述现有技术存在的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种基于连续域束缚态的涡旋光束的产生方法，包括：

3、设计基于连续域束缚态的光学旋涡结构，其中所述光学旋涡结构为以c6对称设计的光子晶体板；

4、通过仿真软件对所述光子晶体板的能带结构进行计算，以找到г点连续域束缚态的波长；

5、通过激励光源在工作波长范围内垂直入射所述光子晶体板，所述激励光源中光束的不同入射波矢量与不同的引导共振相互作用；

6、在动量空间中，连续域束缚态附近的远场辐射存在由布洛赫共振态形成的偏振涡旋，而连续域束缚态位置正对应所述偏振涡旋的奇点，激励光源与布洛赫态共振耦合，产生交叉极化，得到涡旋相位；

7、在所述光子晶体板的另一面得到透射光谱，通过分析所述透射光谱，得到涡旋光束。

8、优选地，所述光子晶体板采用六角蜂窝结构，所述六角蜂窝结构由单个晶胞在平行四边形里面两个硅柱向四周周期排列构成，其中两个硅柱分别位于平行四边形上下的两个中心位置。

9、优选地，所述引导共振的远场辐射的偏振态在动量空间中线性变化，并受到对称的约束，形成涡旋拓扑。

10、优选地，所述入射波矢量的透射场表示为:

11、

12、其中，tx表示与有效快轴平行的k导共振的透射系数，ty表示与有效快轴垂直的k导共振的透射系数，|ein>，|eout>表示事件和传输的琼斯向量，|l>代表左旋圆偏振，|r>代表右旋圆偏振。

13、优选地，所述光子晶体板通过选择圆偏振入射光，透射光由与所述圆偏振入射光具有相同偏振的平凡分量和共振过程产生的非平凡交叉偏振分量组成。

14、优选地，圆偏振光与布洛赫态共振耦合过程中，拓扑电荷量化连续域束缚态周围偏振矢量的缠绕；

15、其中所述拓扑电荷为：

16、优选地，所述涡旋光束在255太赫兹到283太赫兹的宽频率范围内检测到二阶轨道角动量。

17、与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

18、本发明利用在动量空间中由光子晶体板支撑的连续介质中束缚态周围固有的极化拓扑涡旋结构来诱导涡旋光束的产生，由于所提出的极化拓扑涡旋结构是由周期性排列的硅柱组成的，因此缺乏真正的光学几何中心，同时对入射光的位置不敏感。与传统的螺旋相板相比，本发明不需要特定的光学校准过程，此外，由于光子晶体板是由介电柱组成的，因此可以在任何期望的工作波长下产生涡旋光束。本发明不仅提供了一种控制光子角动量的新方法，而且在综合光信息处理和光镊方面具有潜在的新应用前景。

技术特征：

1.一种基于连续域束缚态的涡旋光束的产生方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于连续域束缚态的涡旋光束的产生方法，其特征在于，所述光子晶体板采用六角蜂窝结构，所述六角蜂窝结构由单个晶胞在平行四边形里面两个硅柱向四周周期排列构成，其中两个硅柱分别位于平行四边形上下的两个中心位置。

3.根据权利要求1所述的基于连续域束缚态的涡旋光束的产生方法，其特征在于，所述引导共振的远场辐射的偏振态在动量空间中线性变化，并受到对称的约束，形成涡旋拓扑。

4.根据权利要求1所述的基于连续域束缚态的涡旋光束的产生方法，其特征在于，所述入射波矢量的透射场表示为:

5.根据权利要求1所述的基于连续域束缚态的涡旋光束的产生方法，其特征在于，所述光子晶体板通过选择圆偏振入射光，透射光由与所述圆偏振入射光具有相同偏振的平凡分量和共振过程产生的非平凡交叉偏振分量组成。

6.根据权利要求1所述的基于连续域束缚态的涡旋光束的产生方法，其特征在于，圆偏振光与布洛赫态共振耦合过程中，拓扑电荷量化连续域束缚态周围偏振矢量的缠绕；

7.根据权利要求1所述的基于连续域束缚态的涡旋光束的产生方法，其特征在于，所述涡旋光束在255太赫兹到283太赫兹的宽频率范围内检测到二阶轨道角动量。

技术总结本发明公开了一种基于连续域束缚态的涡旋光束的产生方法，包括：设计基于连续域束缚态的光学旋涡结构；对所述光子晶体板能带结构进行计算；通过激励光源在工作波长范围内垂直入射所述光子晶体板，所述激励光源中光束的不同入射波矢量与不同的引导共振相互作用；在动量空间中，连续域束缚态附近的远场辐射存在由布洛赫共振态形成的偏振涡旋，而连续域束缚态位置正对应所述偏振涡旋的奇点，圆偏振光与布洛赫态共振耦合，产生交叉极化，得到涡旋相位；在所述光子晶体板的另一面得到透射光谱，通过分析所述透射光谱，得到涡旋光束。本发明在综合光信息处理和光镊方面具有潜在的新应用前景。技术研发人员：方明,刘淼,徐珂,冯健,邓学松,杨丽霞,黄志祥受保护的技术使用者：安徽大学技术研发日：技术公布日：2024/10/17