中科院光电所&苏州医工所团队︱AFM：螺旋超透镜实现大容量角动量快照探测

随着大数据时代的飞速发展，高容量信息的高速传输与处理愈发重要。光子的轨道角动量（OAM）和自旋角动量（SAM）可作为数据信息传递的载体，因此光子角动量的识别与探测对于光学通信、光学存储和量子信息处理等应用至关重要。传统OAM检测方法存在系统复杂、难以集成、检测模式数有限、效率低、难以实现SAM和OAM的同时检测等难题。近年来，研究人员利用坐标变换超构表面实现了紧凑型和快照式OAM检测。然而，现有的光学变换方法通常需要多个元件之间进行高精度的对准，并且不能同时识别全角动量（SAM和OAM）信息。

为解决上述难题，中科院光电所的研究团队于2021年提出了角向超构透镜的概念。该透镜能够将正入射的不同拓扑荷OAM光束变换为横向焦平面内沿环形轨迹分布的聚焦光斑，仅需单个超构表面器件，即可实现大模式空间（±100）、全角动量快照式测量，单次最大可识别的OAM模式数（模式探测范围与最小模式间隔之比）达到40。

二、文章简介：

在上述工作的基础上，为进一步提升超构表面单次最大可识别的OAM模式数，中国科学院光电所和苏州医工所团队报道了一种螺旋超构透镜，能够将正入射的不同拓扑荷OAM光束变换为横向焦平面内沿螺旋线轨迹分布的聚焦光斑。相比之前角向超构透镜的环形轨迹焦斑分布，螺旋超构透镜的螺旋形轨迹焦斑分布，可容纳更多的OAM模式数，成功将OAM模式探测空间拓展至±250，单次最大可识别的OAM模式数高达168。相关研究成果发表于Advanced Functional Materials上。

图1. 螺旋超构透镜的工作原理图。

三、研究内容：

1、SML用于超高容量识别OAM模式信息

图2. SML识别OAM模式信息的模拟结果。

图3. SML识别168个叠加OAM模式信息的模拟结果。

图4. SML的设计、实现和实验测量结果。

2、自旋解耦螺旋超构透镜（SDSML）用于探测光子的SAM和OAM模式信息

图5. SDSML用于光子全角动量探测的模式结果。

本文所提出的螺旋超构透镜，能够将将正入射的不同拓扑荷OAM光束变换为横向焦平面内沿螺旋线轨迹分布的聚焦光斑，因此基于单个器件的单次测量，可以实现目前最大可识别的OAM模式数。进一步，所构建的自旋解耦螺旋超构透镜，可以实现全轨道角动量、矢量奇点（偏振奇点和相位奇点）的探测。螺旋超构透镜的超薄和轻量化特性促进了检测系统的小型化、轻量化和高度集成，并有望推动紧凑型光学和量子通信领域的发展。