1 复旦大学物理学系，应用表面物理国家重点实验室，上海市超构表面光场调控重点实验室，上海 200433
2 复旦大学光科学与工程系上海超精密光学制造工程技术研究中心，上海 200433
从超构表面调控电磁波研究的发展历史出发，详细介绍了基于复合相位超构表面实现高效多功能调控圆偏振电磁波的原理、设计思路和实验模拟表征，对近期国内外在这一领域的研究进展进行简要的论述，着力以此引导相关研究性实验教学，并为相关领域研究人员提供指引。
超构表面 共振相位 传输相位 几何相位 复合相位 圆偏振光 多功能 光学学报
2024, 44(10): 1026008
Author Affiliations
Abstract
1 Institute for Quantum Science and Technology, College of Science, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China
2 Hunan Key Laboratory of Mechanism and Technology of Quantum Information, Changsha 410073, China
3 School of Physics and Astronomy, University of Glasgow, Glasgow G12 8QQ, UK
The 3D location and dipole orientation of light emitters provide essential information in many biological, chemical, and physical systems. Simultaneous acquisition of both information types typically requires pupil engineering for 3D localization and dual-channel polarization splitting for orientation deduction. Here we report a geometric phase helical point spread function for simultaneously estimating the 3D position and dipole orientation of point emitters. It has a compact and simpler optical configuration compared to polarization-splitting techniques and yields achromatic phase modulation in contrast to pupil engineering based on dynamic phase, showing great potential for single-molecule orientation and localization microscopy.
PSF engineering geometric phase single-molecule orientation and localization microscopy Chinese Optics Letters
2024, 22(3): 031103
1 上海大学理学院物理系 上海 200444
2 苏州大学光电科学与工程学院 苏州纳米科技协同创新中心 江苏 苏州 215006
3 江苏省先进光学制造技术重点实验室 教育部现代光学技术重点实验室 江苏 苏州 215006
4 苏州大学数码激光成像与显示教育部工程研究中心 江苏 苏州 215006
5 上海市星系与宇宙学半解析研究重点实验室 上海 200234
量子逻辑门是实现量子计算的基本组件之一,而高保真度和高鲁棒性是量子逻辑门必不可少的关键性质。在实现量子逻辑门的各种方法中,利用几何相位的全局特性来构造量子逻辑门是一个有效的方法,它可以对一些局域扰动有比较好的容错性。本文在非绝热几何量子计算的框架下,在三能级系统中构造出了任意的单比特量子逻辑门,并创建出在实验中方便实现的脉冲形式。本文进一步研究了量子系统中存在频率失谐和脉冲振幅偏差的情况,并考虑量子系统与环境之间的退相干效应,以设计出具有更好鲁棒性能的脉冲波形。
量子比特 量子逻辑门 几何相位 几何量子计算 脉冲设计 qubit quantum gate geometric phase geometric quantum computation pulse designing 量子光学学报
2023, 29(2): 020401
1 哈尔滨理工大学 黑龙江省量子调控重点实验室大珩协同创新中心，黑龙江 哈尔滨 150080
2 河北工业大学 先进激光技术研究中心，天津 300401
几何相位平面光学元件由于高效、紧凑及易集成等优点已被广泛用于光场空间结构调控。但以q-plate为代表的此类元件只提供自旋相关的波前控制能力，振幅调控能力的缺失导致无法利用光场的全部空间维度，严重阻碍了相关领域研究的进一步深化。笔者团队在国家自然科学基金等项目资助下，以液晶人工微结构中的几何相位为物理基础设计并论证一系列新型几何相位元件，解锁了平面光学技术对近轴结构光场的全维度调控能力，为高维经典及量子信息等需要依托光场调控技术的实验研究提供了重要工具。
几何位相 液晶 平面光学 光场调控 geometric phase liquid crystal flat optics light field shaping 红外与激光工程
2023, 52(8): 20230396
1 华中科技大学武汉光电国家研究中心，湖北 武汉 430074
2 华中科技大学光学与电子信息学院，湖北 武汉 430074
3 湖北光谷实验室，湖北 武汉 430074
光谱分离成像是一种可同时获取光谱信息、空间位置信息的探测技术，被广泛应用于地理、环境、生物、光学等领域，集成化是该技术的重要发展方向之一。提出了一种基于超透镜的光谱分离技术，采用选择性光谱响应单元结构对红、绿、蓝（RGB）三个波段的聚焦相位进行编码，基于单片器件即可收集不同位置的光谱信息，简化了获取光学信息的过程，推动了小型化光谱分离成像器件的进一步发展。
探测器 光谱分离成像 超表面 多焦点超透镜 几何相位 中国激光
2023, 50(18): 1813014
1 湖南大学物理与微电子科学学院微纳光电器件及应用教育部重点实验室，湖南 长沙 410082
2 湖南大学粤港澳大湾区创新研究院，广东 广州 511300
液晶作为一种介于液态与结晶态之间的功能性软材料，可以同时表现出液体流动性和晶体的各向异性，被广泛应用于图像显示、集成光电子学、光通信等领域。近年来，由于液晶理论研究的深入及其加工技术的发展，液晶在几何相位、动态可调谐等光场调控方面的优势推动了光学器件的平面化、集成化、智能化和小型化。综述了液晶在光场调控方面的最新应用进展，具体讨论了其对光波振幅、相位、偏振等多维度参数的调控特性，进而探讨了液晶在多功能光学器件和光学加密系统中的应用。
光数据存储 液晶 光场调控 各向异性 几何相位 多功能 光学加密 中国激光
2023, 50(18): 1813006
1 区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室，上海交通大学物理与天文学院，上海 200240
2 上海量子科学研究中心，上海 201315
3 山东师范大学光场调控及应用中心，山东 济南 250358
光的自旋轨道耦合现象在微纳尺度的光与物质相互作用中几乎无处不在。偶极辐射等非傍轴光在空间传播中具有自发自旋轨道耦合，当光遇到各向异性结构、磁性结构、手性结构，以及具有波长尺度空间不均匀的结构时，自旋轨道耦合现象也时常发生。对光的自旋深入研究不仅有利于新光学现象的发掘，还为微纳光场操纵提供了新途径。近些年来，基于几何相位的超构表面在新型自旋光控制中展示出了很多重要应用，实现了多维度、多波长的激光自旋控制，产生了纠缠光子、自旋依赖的偏振热光源等，也发展了一些基于光自旋的超灵敏测量手段。相比而言，光与无序微纳结构相互作用的研究则较少。无序结构内在的随机性使得该体系的自旋轨道耦合变得复杂，光场的表征需要考虑统计特性，为测量、分析带来了一定挑战。此外，随机系统的光子自旋霍尔效应机理还没有完全清楚，随机几何相位涨落或者涡旋都能使光产生自旋霍尔效应，但是两者有很大的物理差异。因此，光子自旋霍尔效应与无序几何相位之间的规律还有待深入探索。首先介绍光的自旋概念、不同体系下的基本自旋轨道耦合现象，然后分析以超构表面为平台研究的二维随机体系对光自旋轨道耦合与光子自旋霍尔效应的影响，包括各向异性无序、磁光涨落、涡旋、随机偶极子辐射等产生的光自旋分离现象。这些研究和分析有利于将来用光自旋霍尔信号作为新的探测和控制手段，研究相互作用体系的相变与演化。
光自旋 超构表面 随机现象 光学涡旋 几何相位 光学学报
2023, 43(16): 1623003
Author Affiliations
Abstract
1 Nanjing University, College of Engineering and Applied Sciences, National Laboratory of Solid State Microstructures, Key Laboratory of Intelligent Optical Sensing and Manipulation, Nanjing, China
2 Nanhui Institute of Intelligent Optical Sensing and Manipulation, Nanjing, China
3 China Academy of Space Technology, National Key Laboratory of Science and Technology on Space Microwave, Xi’an, China
4 Beihang University, School of Instrumentation and Optoelectronic Engineering, Beijing, China
The explosive growth of information urgently requires extending the capacity of optical communication and information processing. Orbital-angular-momentum-based mode division multiplexing (MDM) is recognized as the most promising technique to improve the bandwidth of a single fiber. To make it compatible with the dominant wavelength division multiplexing (WDM), broadband equal high-efficient phase encoding is highly pursued. Here, we propose a twisted-liquid-crystal and rear-mirror-based design for ultrabroadband reflective planar optics. The backtracking of the light inside the twisted birefringent medium leads to an achromatic phase modulation. With this design, a single-twisted reflective q-plate is demonstrated to convert a white beam to a polychromatic optical vortex. Jones calculus and vector beam characterization are carried out to analyze the broadband phase compensation. A dual-twisted configuration further extends the working band to over 600 nm. It supplies an ultrabroadband and reflective solution for the WDM/MDM-compatible elements and may significantly promote advances in ultrabroadband planar optics.
liquid crystal polymers optical vortex geometric phase ultrabroadband Advanced Photonics Nexus
2023, 2(2): 026009
1 武汉科技大学 信息科学与工程学院，湖北 武汉 430081
2 武汉科技大学 耐火材料与冶金国家重点实验室，湖北 武汉 430081
为了克服超表面普遍具有的波长依赖性，提出了一种基于几何相位的多功能超薄超表面，在双频点处对透射圆偏振太赫兹波实现独立波前调控。该超表面单元由表层金属层和中间介质层组成，其中表层金属图案相同，均是由双C型开口环谐振器、中间金属圆环和长方形金属片谐振器构成。通过分别旋转表层金属谐振器，可以控制交叉偏振透射光具有相同的振幅和不同的相位。将单元结构按照特定的规律排列，可对入射波的波前实现任意调控，例如，在低频f1 = 0.701 THz，分别实现了携带拓扑电荷数+1、+2、+3、+4的涡旋波束，其纯度均在60%以上；在高频f2 = 1.663 THz，实现了对入射圆偏振波的汇聚，且焦距误差仅为0.04。仿真结果表明，设计的超表面在双频点处对电磁波具有良好的调控。
太赫兹 双频点 几何相位超表面 波前操控 terahertz dual-frequency geometric phase metasurfaces wavefront manipulation 红外与激光工程
2023, 52(2): 20220377
