近日，Betway必威西汉姆联李涛教授研究组在轨道角动量（OAM）光束检测上取得重要进展。该工作利用简单的金属光栅结构，将OAM光束耦合到金属表面成为具有分束特性的表面等离激元（SPP）波束。研究表明其分束大小正好对应于入射OAM光束的拓扑荷数，从而提出了一种高集成度、芯片化的检测OAM模式的方法。而且，该耦合过程不严格依赖于OAM光束照射到金属光栅的具体位置，因而该方法突破了以往OAM光束检测需要严格对准的局限，是一种鲁棒性的检测手段。该成果以《On-Chip Detection of Orbital Angular Momentum Beam by Plasmonic Nanogratings》为题发表在光学类权威期刊Laser & Photonics Reviews上（DOI：10.1002/lpor.201700331）。
OAM光束由于其独特的光场模式和波前特性，在光镊、非线性光学、量子信息处理、光数据存储和传输方面都有重要的应用前景。尤其在光通信领域，由于OAM波束具有理论上无限多的正交模式，其被广泛认为是大容量信息复用和传输非常良好的载体。因此，对于OAM波束模式的检测是利用OAM通信技术不可缺少的重要环节。然而，当前以叉型光栅为主的OAM光束调控及检测方式往往需要入射光束与叉型光栅中心进行对准，这给高集成的微小型光子器件以及高速信息分析带来不便。李涛教授研究组创造性地提出将空间OAM光束转化为表面等离激元波束来检测其模式的方法（见图1a）。他们发现，具有不同模式的OAM波束照在周期性的金属光栅上会激发两条具有一定夹角的分离SPP波束。经过严格的波矢分析，他们得出该分离程度和表征OAM模式的拓扑荷数具有一一对应的关系，因此可以通过测量SPP波束的分离程度来表征OAM模式（见图1b和1c）。该方法由于OAM波束可以照在光栅的任意位置，不需要严格对准，大大提高了检测的准确度和容错性。
图1.（a）OAM检测原理示意图。（b）耦合过程的波矢分析。
（c）不同OAM模式激发的SPP波束。
进一步，研究组发现通过两种周期组合的复合光栅结构（见图2a），根据其对应的波矢匹配特性可以实现了OAM光束到SPP波的单向耦合，耦合的方向由则正好由OAM拓扑荷数的正负号决定。由此，研究组发展出一套基于OAM光束入射下面内SPP耦合的完整的波矢匹配方案，可以同时对OAM拓扑荷数正负号和大小进行全面检测（见图2b）。实验结果显示该复合光栅结构可以检测拓扑荷数范围在+9到-9范围的OAM光束，检测过程无需严格对准，具有很好的鲁棒性和较大的容错性。整个器件尺寸在60微米左右，具有优良的片上集成性能。图2c显示了该器件检测+6到-6范围的OAM光束的实验结果。
图2.（a）复合光栅结构样品。（b）OAM光束耦合到SPP过程的波矢匹配分析以及实验探数据。（c）该方法检测+6到-6范围的OAM光束的实验结果。
该成果一方面为高集成度鲁棒性的OAM光束检测提供了新的方案，同时也是对空间光场到等离激元表面波的信息转换与调控的应用演示。李涛教授研究组一直致力于表面波与空间光场转换的研究，曾经成功实现了SPP波束的空间散射构建多偏振光束的同时产生（Light Sci. Appl. 4, e330 (2015)）和SPP传播复用的散射空间全息（Nano Lett. 17, 5051 (2017)）。本工作利用的原理是之前工作的逆向过程，将OAM光场转换SPP波，凸显了这类远近场光场转换的调控具有很大的拓展空间和重要的应用潜力，为发展新型的集成光子器件开拓了新的设计思路。
Betway必威西汉姆联的2014级博士生陈绩为该论文的第一作者，博士生陈曦是重要合作者，李涛教授为论文通讯作者。本工作还得到了祝世宁院士的指点，陈鹏同学和倪睿同学的帮助，以及王前进老师在样品加工上的指导与大力支持。该研究得到了国家自然基金项目、科技部重点研发计划、bw必威西汉姆联官网“登峰人才支持计划”以及江苏省优势学科建设项目的资助。
