光子角动量在环形金属纳米孔异常透射过程中的作用

在环形凹槽包围环形金属纳米孔的异常透射器件的研究中,环形凹槽可以将携带光子角动量的入射光转化为涡旋表面等离极化激元,这些涡旋表面等离极化激元传向几何中心并与直接照射在环形纳米孔上的光子发生干涉,当相互干涉的光子满足相位匹配条件时,环形纳米孔的透射率得到显著增强.本文利用理论分析和数值计算的方法研究了光子角动量和凹槽半径对环形纳米孔透射过程的影响.我们发现调节环形凹槽的半径和入射光携带的光子角动量可以调节光子在金膜上表面传输时的径向传播相位,进而影响了环形纳米孔附近的干涉电场强度,最终决定了环形纳米孔的透射率,进而可以通过调节凹槽的半径来调节携带不同光子角动量的光束在环形纳米孔的透射率.本文的研究结果对基于涡旋表面等离极化激元的异常透射器件的设计具有重要的指导意义.

石墨烯混合等离子体波导光子轨道角动量产生及转换器设计

为满足现代社会对通信容量日益增长的需求,设计了一种基于石墨烯混合等离子体波导的可重构光子轨道角动量产生及转换器,利用时域有限差分法对器件的性能进行了仿真分析.仿真结果表明:石墨烯费米能级为0 eV时,该装置实现了拓扑荷由+1向−1或者−1向+1的光子轨道角动量的转换,转换效率达到93.6%;石墨烯费米能级为0.9 eV时,该装置可以将线偏振光转换为携带轨道角动量的涡旋光,此时该器件还可以用于识别拓扑荷为±1的涡旋光.

光子高阶轨道角动量制备、调控及传感应用研究进展

光子既是经典信息也是量子信息的理想载体.单个光子不仅可以携带自旋角动量(与光波的圆偏振相关),还可以携带轨道角动量(与光波的螺旋相位相关).而轨道角动量的重要意义在于可利用单个光子的量子态构建一个高维的Hilbert空间,从而实现高维量子信息的编码.自Allen等于1992年确认光子轨道角动量的物理存在以来,轨道角动量在经典光学和量子光学领域展现了诸多诱人的应用前景,目前已成为国际光学领域的研究热点之一.本综述将着重介绍高阶轨道角动量光束的制备与调控技术,特别是高阶轨道角动量的量子纠缠态操控、旋转Doppler效应测量及其在远程传感和精密测量技术中的应用.

全光纤光子轨道角动量模式研究

通过模分复用技术,将带有不同阶数轨道角动量的光波作为不同的信道,实现从另一维度极大地增加光通信的容量.光子轨道角动量的产生是这类技术的一个核心.基于有效介质理论,在光纤端面设计了特殊的螺旋结构,使光纤端面的有效折射率沿着顺时针或逆时针方向线性增加.当传导光波入射到该结构时,因方位角上的折射率不同而形成光程的差异,引起相应的相位延迟并形成相位波前的螺旋形结构,即产生带有轨道角动量的光波,采用FDTD方法模拟了轨道角动量的产生过程.

光子轨道角动量的量子操控与应用

光子轨道角动量具有光学涡旋结构和高维特性,在经典和量子领域都展示出巨大的应用潜力。基于本课题组的研究工作,综述了如何在实验上实现高维量子逻辑门,如三比特的Toffoli门和Fredkin门等,以及利用偏振和轨道角动量的超纠缠特性对不同模式的振幅和相位进行调制。进一步介绍了深度学习算法在坐标系未校准条件下进行光子轨道角动量模式精确识别的应用研究。此外,还介绍了利用量子隐形传态技术实现不同光学自由度间量子态传输以及四维光子轨道角动量贝尔态的制备方案。

新型InP基光子轨道角动量集成光源设计与仿真

利用光子轨道角动量(OAM)可以大幅度提高通信系统的频谱效率和容量,从而满足未来通信容量不断增长的需求。以InP基半导体外延材料为基础,设计了一种将分布反馈(DFB)半导体激光器与OAM光转换器件集成在一起的有源半导体OAM光束发射器,并对这种结构进行了参数设计和模型仿真。

基于单光子轨道角动量态的量子匿名否决方案

目前,实验上可以容易地制备、操作和准确地检测单光子轨道角动量(orbital angular momentum,OAM)态。基于此,文中提出了一个新颖的量子匿名否决方案。该方案中,陪审团成员如果投否决票,就利用Q板实现OAM态的拓扑荷加1的操作;否则执行I操作。此方案可以获得投否决票的人数,很好的保护成员的匿名性,且参与方案的人数将不受目前实验技术的限制。

对光子及其角动量概念的一些评注与探讨

本文的主要目的为探讨光子角动量,是否适合解释塞曼效应中π线的偏振状态。通过具体分析,我们认为光子角动量本质不能对塞曼效应中π线做出正确解释,进而我们认为光子角动量本质有不完善之处,不能随意使用角动量守恒解释物理现象。

用波晶片相位板产生角动量可调的无衍射涡旋空心光束

本文提出了一种用波晶片产生无衍射涡旋空心光束的新方案.根据晶体双折射的性质,设计波晶片的厚度,在一块晶体薄片上对o光和e光分别形成各自的四台阶相位板,线偏振光入射到该相位板后,o光和e光衍射按强度叠加,利用准伽利略望远镜系统聚焦,得到近似无衍射涡旋空心光束.光路简单,调节方便.在近轴条件下,运用菲涅耳衍射理论和经典电磁场角动量理论,数值模拟计算了周期数不同的两块波晶片相位板衍射光强和角动量的分布,结果表明:两块相位板都能在较长距离内产生近似无衍射涡旋空心光束,光强和轨道角动量的分布与螺旋相位板产生的涡旋光束基本相同.在衍射光路中加入相位补偿器,调节o光和e光的相位差可以调节自旋角动量的大小,从而可以调节总角动量密度和平均光子角动量的大小.用这种空心光束导引冷原子或冷分子,原子在与光子相互作用过程中可获得可调的转动力矩.

光子轨道角动量在量子通信中的应用

光子量子态为轨道角动量,当前阶段,有一定轨道角动量广泛的应用于通信领域,国内外都在热衷进行研究,尤其是轨道角动量已经成为空间量子信息重要的承载体,对于量子通讯产生了重大影响。本文首先简单的介绍了光子轨道角动量以及量子通讯基本概念,进而详细的解析了光子轨道角动量在量子通讯的应用。

高阶椭圆厄密-高斯光束的轨道角动量研究

从傍轴条件下光束轨道角动量的基本理论出发,根据高阶椭圆厄密-高斯光束的光场分布,运用张量方法,对高阶椭圆厄密-高斯光束轨道角动量的密度分布进行了理论分析,得到了求解该密度分布的计算公式,并在给定参量条件下作了数值模拟.进一步对光束中每个光子携带的平均轨道角动量进行了计算,发现其值随着椭圆厄密-高斯光束阶次的增大而增大,表明高阶椭圆厄密-高斯光束能够比椭圆高斯光束或拉盖尔-高斯光束提供高得多的轨道角动量.

具有不寻常角动量的非常光子

作为光子Schrdinger方程的一般解,我们构造出了一系列新颖的光子态矢函数.它们由光子的三重态本征态矢函数组成,包括一对非零的l阶本征态矢函数和单个的零阶本征态矢函数.由这些三重态本征态矢函数描述的光子具有单光子全部的量子特征:除了共同的属性诸如能量E=ω,动量ps=κ之外,这些光子还表现出不同的角动量属性,分别是Ls+=l,Ls-=-l和Ls0=0;其中l≥1,也就是说,除了普通的一阶本征值Ls±=±之外,对于单光子的角动量,实际上还存在不寻常的非零阶本征值Ls±=±l和零阶本征值Ls0=0.利用该系列态矢函数,Laguerre-Gaussian模式结构激光束所显示出来的花样得以从量子力学的观点得到圆满解释,无论这些花样是非零的l阶模式,还是零阶模式.

基于自发参量下转换的光子轨道角动量量子纠缠

作为光子重要自由度之一,轨道角动量(OAM)在光量子信息研究中占据着重要地位。将其与偏振等光子的其他自由度相结合,可实现多自由度光量子信息处理。此外,由于其具有天然的离散高维属性,故其是开展高维量子信息处理研究的最佳自由度之一。基于自发参量下转换非线性光学过程能够便捷地获得OAM纠缠源。近年来,光子OAM量子纠缠的研究受到了广泛关注,在多自由度、高维和多光子等多个方向都取得了重要进展。然而,该领域尚有诸多悬而未决的关键科学问题亟须深入研究,包括如何实现高效高质的OAM分离,如何实现更高维度的频率转换,如何提升多自由度纠缠源的品质,如何获得更多维度、更多光子的高维纠缠态以及如何构建可行的高维量子门等。从光子OAM最基本的二维操纵着手,综述了单光子OAM量子态调控、双光子及多光子OAM纠缠操纵。围绕多自由度、大角动量和高维等特性,从生成、调控、测量及应用等角度系统讨论了光子OAM量子纠缠。同时,探索了解决本方向关键科学问题的一些可能解决途径。

塞曼谱线的π成分和σ成分分析

通过分析椭圆偏振光和圆偏振光的特性,引出对塞曼效应分裂谱线的偏振化的分析,并从两个不同的角度分析了原子发生塞曼跃迁时产生的π成分和σ成分的偏振特性。

利用空间光调制器实现螺旋光束轨道角动量的精确测量（英文）

提出一种利用加载到空间光调制器的振幅型计算全息图精确测量螺旋光束轨道角动量的方法。利用平面波角谱衍射公式和柯林斯公式,对不同阶数的厄米高斯光束、拉盖尔高斯光束、贝塞尔光束经过圆孔、矩孔、三角孔等参数可调的衍射光学元件的衍射过程进行仿真。理论和实验研究了螺旋光束经过杨氏双缝和三角孔后的传输特性,并利用这两种振幅型衍射光学元件实现螺旋光束轨道角动量的测量。由于通过改变和控制加载到空间光调制器上的计算全息图可以方便和高精度地改变光学器件的结构、尺寸、所在的空间位置,因此可便捷地实现螺旋光束轨道角动量的精确测量。

时空光场调控以及时空光涡旋波包的研究进展(特邀)

综述了时空耦合光场,包括时空光场的理论背景,产生时空光场的实验方法,以及时空光涡旋波包的研究现状。由于时空光场的生成涉及色散与衍射效应之间微妙的相互作用,尽管用于产生时空耦合光场的实验装置与现有的4f脉冲整形器实验装置几乎相同的,但与传统的脉冲整形或光束整形技术相比,时空光场的生成过程更为丰富。新型时空光场具有独特的光子学特性,如携带具有纯横向轨道角动量的光子,在传播过程中不发生衍射,或以可控的群速度传播,使其成为量子光学、纳米光子学、自旋光子学和光与物质相互作用等研究领域的重要工具。

光学旋涡光场调控与应用

基于在光学旋涡领域的多年工作基础,分别介绍了:轨道角动量在大容量光通信中的创新应用,通过设计新型光学元器件,解决大批量轨道角动量并行独立探测的技术瓶颈;光学旋涡光束在普通光学显微镜结构下调控表面等离子激元,构建了新一代表面等离子激元显微术,该系统集超分辨宽场成像、超高灵敏度传感、超高增强拉曼光谱为一体,为生物活体细胞和分子的无标记、原位、多模式检测提供新的技术途径。