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与子带间跃迁耦合的等离子体超表面实现自旋调控的非线性谐波产生
摘要： 能够产生非线性光学响应的超表面为非线性全息、波混频及新频率生成等应用提供了新的自由度。为拓展平面非线性光学的应用价值，需要开发既能实现亚波长薄膜内高效频率混频的巨大非线性响应，又能输出具有局部波前控制能力的单光束超表面。近期已有研究通过子带间极化激元概念实现了具有巨大非线性响应的超表面，另有学者研究了能输出具备局部波前控制能力的单光束非线性信号的超表面。但兼具这两种特性的超表面平台尚未见报道。本文首次提出此类平台，并展示了其在三波和四波混频过程中的工作特性。该方案基于局域非线性响应的潘查拉特南-贝里相位控制原理，通过采用特定对称性的超原子来确保仅产生单一非线性光束。实验中，在约10微米泵浦波长下，我们制备了400纳米厚的超表面，实现了具有波前控制的二次谐波与三次谐波单光束输出。在仅80千瓦/平方厘米的峰值泵浦强度下，两种非线性过程的功率转换效率分别达到7.6×10??%和3.6×10??%。
关键词： 非线性波束转向、非线性光学、自旋角动量、超表面、子带间跃迁
更新于2025-09-23 15:19:57
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[2019年欧洲激光与电光会议暨欧洲量子电子学会议（CLEO/Europe-EQEC）- 德国慕尼黑（2019.6.23-2019.6.27）] 2019年欧洲激光与电光会议暨欧洲量子电子学会议（CLEO/Europe-EQEC）- 螺旋行波纳米天线控制光偏振
摘要： 光偏振是现代光子学的关键要素。在各向异性金属纳米结构中定制表面等离激元（SPs）为微观尺度下的偏振控制开辟了前景[1]。然而现有器件尺寸仍远大于光波长。本研究提出行波螺旋等离激元天线（TW-HPA）突破该限制[2]。其非共振特性区别于既有螺旋等离激元结构[3-5]，将行波螺旋天线概念[6]拓展至光学领域。该TW-HPA由镀金细线螺旋缠绕成微型螺旋结构（图1a），镀金导线支撑着无截止轴向对称行波等离激元[7]，通过螺旋基座处矩形孔径纳米天线的偶极模式进行局域激发。传播过程中，等离激元线?；竦霉斓澜嵌浚∣AM）。尖锐曲率使该SP模式的OAM与自由空间传播光子的自旋角动量（SAM）匹配[8]?；谡庵諳AM-SAM转换机制，单个TW-HPA可通过漩涡等离激元效应在亚波长尺度产生圆偏振定向光。通过紧密排布这些TW-HPA，可构建具有特定手性及可调强度的微米级圆偏振光源阵列，为探测器、显示器、光磁记录及量子信息等需要局部寻址的光子应用开辟新途径。将四个相反手性的TW-HPA光学耦合（图1b），我们获得了体积小于立方波长的相位板——其偏振特性此前从未实现。当入射线偏振光旋转52°（标准四分之一波片需90°）即可实现左/右旋圆偏振（LCP/RCP）切换?；诠獾淖孕?轨道相互作用，该方法具有普适性强、结构稳固的特点，可制备超紧凑等离激元偏振器及非常规相位板。无论是独立结构还是耦合阵列，TW-HPA都将推动高集成度偏振编码光学的发展，尤其适用于量子信息与光学自旋电子学中自旋编码光子量子比特的产生与调控。
关键词： 光偏振、轨道角动量、表面等离子体激元、圆偏振光、光学自旋电子学、量子信息、自旋角动量、螺旋行波纳米天线
更新于2025-09-11 14:15:04
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通过广义量子可观测量对单光子总角动量进行统一处理
摘要： 本文提出了一个统一框架，用于解决单光子总角动量（TAM）难以分解为自旋角动量（SAM）和轨道角动量（OAM）这一著名难题。我们讨论了规范分解法——将TAM分解为物理态空间中内禀旋转与空间旋转的生成元SAM和OAM分量。研究发现这些算符虽相互兼容但属于非锐量子观测量，因此需用POVM（正算子值测度）描述其联合测量。我们还提出了另一种称为非规范分解的TAM分解方案，由此产生的算符相互不兼容但属于锐量子观测量，故采用PVM（投影算子值测度）。这一特性反映了其与单光子波函数横向条件的一致性，从而从量子信息理论视角阐释了底层物理机制。此外，我们探讨了两种分解方案的联合测量实现方法，并针对圆偏振高斯单光子态给出了所有相关量的显式计算。规范动量与非规范动量之间的差异会导致高阶统计矩出现可观测区别。
关键词： 自旋角动量、总角动量、量子可观测量、轨道角动量、投影值测度（PVM）、单光子、正算子值测度（POVM）
更新于2025-09-09 09:28:46