近日，南京大學胡偉、陸延青團隊利用光控膽甾相液晶自組裝螺旋超結構開發(fā)出寬帶多路并行的軌道角動量(Orbital Angular Momentum, OAM)處理器。
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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，其指向就在空間內不停地打轉，因此帶來了軌道角動量。OAM賦予了光子調控一個全新的維度，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的模分復用技術與現(xiàn)行的波分復用技術相結合一直是光學界熱切期盼解決的一項關鍵難題。現(xiàn)有的渦旋光束產生與檢測技術，如模式轉換、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(nop–nep，即，布拉格反射帶內)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來誘導CLC螺旋超結構的自組裝行為，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)字化螺旋超結構的概念。該獨特設計將達曼叉形光柵的二值化相位賦予CLC螺旋超結構，實現(xiàn)了對反射光幾何相位的局部調制，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25個OAM模式的等效產生，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構示意圖;（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合的關鍵技術難題。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)字化螺旋超結構的一個應用例證。新結構的提出與實現(xiàn)也為軟物質超結構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，同時感謝人工微結構科學與技術協(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。
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