中国科大实现矢量涡旋光场的偏振和相位多维操控

中国科学技术大学王安廷副教授课题组提出一种基于单个几何相位元件的偏振和相位多维调控方法，成功实现了高阶矢量涡旋光束的产生和调控。相关研究成果于3月17日以“Generation ofarbitrary vector vortex beam using a singleq-plate”为题发表在光学领域知名期刊《Laser&Photonics Reviews》上。

自激光问世以来，对激光光场的多维度调控一直是光学领域的研究前沿与应用热点，其中自旋-轨道角动量协同调控下兼具多种物理特性的矢量涡旋光束备受青睐。矢量涡旋光束同时具有横截面各向异性的偏振分布和螺旋相位分布，其偏振和相位可独立地调控，在激光加工、高分辨率成像、光学通信等领域有广阔的应用前景。但目前可调节的矢量涡旋光束生成方法通常需要同时使用多个调制器件或者昂贵的可调液晶相位延迟器，传统矢量涡旋光束产生方法结构复杂、成本高、调控灵活度较低是亟待解决的问题。

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图1.相位延迟系统的偏振调控和庞加莱球上偏振演化过程

鉴于此，研究团队通过单个q波片的自旋-轨道角动量转换对光束的相位和偏振进行调制，并利用传统光学元件组成了可调相位延迟系统，代替电控液晶相位延迟器对光束的几何相位进行调控，产生了相位和偏振拓扑荷均高达16阶的矢量涡旋光束，实现了对高阶矢量涡旋光束任意偏振分布的灵活操控。团队还利用传统庞加莱球的几何性质描述提出的相位延迟系统的偏振调控过程，利用杂化庞加莱球描述生成的矢量涡旋光束，展示了传统庞加莱球与杂化庞加莱球之间的映射关系，并对矢量涡旋光束传播过程中的偏振演化进行了系统的分析。

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图2.高阶矢量涡旋光束的实验生成及表征

中国科学技术大学物理学院光学与光学工程系博士后姚俊娜和博士生吴水梅为论文共同第一作者，王安廷副教授为论文通讯作者。深圳国际量子研究院、合肥国家实验室刘骏秋研究员，上海理工大学詹其文教授为论文共同作者。本工作得到了国家自然科学基金委、科技部国家重点研发计划等项目支持。

论文链接：https://doi.org/10.1002/lpor.202402290