湖南大學物理與電子學院羅海陸教授課題組采用電介質(zhì)q片和螺旋相位片的組合產(chǎn)生了混合階龐加萊球上任意點的矢量渦旋光束。這一方案有望實現(xiàn)多個具有不同功能的光學元件的集成，在未來的光子學與光電子學中將會有重要的應用。
矢量渦旋光束是指在光束橫截面上同時具有非均勻偏振態(tài)和螺旋相位結(jié)構(gòu)的新型激光光束，它在激光加工、粒子操控、量子信息等方面有著重要的應用前景。與矢量光束或者渦旋光束相比，矢量渦旋光束在光與物質(zhì)相互作用中具有更多的自由度。
目前，利用空間光調(diào)制器、基于液晶的偏振轉(zhuǎn)換器、激光諧振腔等都已能夠產(chǎn)生矢量渦旋光束。然而，這些方法所產(chǎn)生的光束通常只限于特定的偏振態(tài)，且具有低損傷閾值、低轉(zhuǎn)換效率和大結(jié)構(gòu)尺寸等缺點。因此，為了使矢量渦旋光束得到更加廣泛的應用，需要找到一種高效率、更靈活、結(jié)構(gòu)緊湊的產(chǎn)生方法。
圖 一個矢量渦旋光束可以分解成一個矢量偏振和一個渦旋相位（如第一行所示）。矢量偏振可以用一塊電介質(zhì)q片產(chǎn)生而渦旋相位可以通過螺旋相位片來實現(xiàn)（對應于第二行）。將q片結(jié)構(gòu)集成到螺旋相位片上，即可形成產(chǎn)生矢量渦旋光束的集成器件。
為克服上述方法存在的問題，湖南大學物理與電子學院羅海陸教授領導的自旋光子學課題組采用電介質(zhì)q片和螺旋相位片的組合來產(chǎn)生混合階龐加萊球上任意點的矢量渦旋光束，相關研究成果發(fā)表在Photonics Research 2017年第5卷第1期上（Z. Liu, et al., Generation of arbitrary vector vortex beams on hybrid-order Poincaré sphere）。
混合階龐加萊球用于描述任意矢量渦旋光束，可以讓其偏振與相位演化的物理過程變得更加直觀。基于混合階龐加萊球理論，任意的矢量渦旋光束可以分解成一個矢量光束和一個渦旋相因子。其中，矢量光束可以用一塊電介質(zhì)q片產(chǎn)生而渦旋相因子可以通過螺旋相位片來實現(xiàn)。通過控制入射光的偏振態(tài)，即可得到混合階龐加萊球上相應點的矢量渦旋光束。
這一方案的一個重要特點是q片的結(jié)構(gòu)與螺旋相位片均可制作在二氧化硅玻璃基底上，因此完全可以將兩個結(jié)構(gòu)集成在單個玻片上。該課題組羅海陸教授認為，這一方案可以實現(xiàn)在一塊玻璃片上集成多個具有不同功能的光學元件，在未來的光子學與光電子學中將會有重要的應用。后續(xù)工作主要是實現(xiàn)系統(tǒng)的集成化，進一步提升操控光的偏振與相位的能力。
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