矢量光束奇点在离散旋转对称系统中的拓扑荷嬗变机理研究

Mechanism of topological charge transformation is an important basis of the applications of singular optics in various frontier fields including communication, imaging and biology. In previous researches, Prof. A. Ferrando et.al have established the vortex transmutation rule in discrete rotational symmetric systems, and the applicant has given the first experimental demonstration of this rule in free space, but all these works are about scalar beams. Aiming at the vector beams, this project will use the mode decomposition method to give the selection rule of transition between different modes; then use diffractive optical elements to generate and manipulate vector beams, exploring the topological charge transmutation rule based on the change of orbital angular momentum, investigating the different roles of on-axis and off-axis singularities. Furthermore, the project will use birefringent devices and chiral materials to study topological charge transmutation of vector singularities caused by spin-orbital angular momentum conversion, optical activity and circular dichroism, and to observe the competition of these phenomena with photon absorption and emission. The results will clarify the interplay between discrete rotational symmetry and angular momentum of light beams, give theoretical guide to effective control of vector beams, and provide technical reserves of applications of vector beams in high resolution imaging, particle manipulation, and angular momentum multiplexing communication systems, and so on.

拓扑荷转变机制是奇点光学在通信、成像及生物等前沿领域应用的重要基础。前期研究中，A. Ferrando教授等人建立了离散旋转对称系统中的涡旋度嬗变规则，申请人在自由空间首次实验验证了该规则，但是上述工作仅限于标量光束。本项目拟针对矢量光束，采用模式分解法给出不同模式之间跃迁的选择定则，采用衍射光学元件对矢量光束的产生及调控进行研究，探索基于轨道角动量变化的矢量光束奇点拓扑荷嬗变规律，观察同轴与离轴奇点的作用。进一步结合双折射器件与手性分子材料，分别研究自旋-轨道角动量转化和旋光性及圆二色性导致的矢量光束拓扑荷嬗变现象，以及该现象与光子的吸收、发射之间的竞争机制。研究成果将阐明离散旋转对称性与矢量光束角动量之间的相互影响，为有效控制矢量光束的奇点提供理论指导，为矢量光束在高分辨成像、粒子操控和角动量复用通信系统等领域的应用提供技术储备。

拓扑荷是光学奇点最核心的参量，对拓扑荷在传输过程中演化机制的理解是人们认识和利用光学奇点的关键。在离散旋转对称的系统中，标量涡旋光束的拓扑荷会在传播过程中按照取模规则自动演化到其绝对值最小的可能值，这一现象称为涡旋嬗变规则。然而，这一方向前期的工作均为基于标量光束的研究，对于包含偏振的矢量光束奇点的拓扑荷嬗变机制研究目前还仅仅停留在起步阶段。本项目针对矢量光束，通过采用模式分解法给出不同模式之间跃迁的选择定则，采用衍射光学元件对矢量光束的产生及调控进行研究，探索了基于轨道角动量变化的矢量光束奇点拓扑荷嬗变规律，观察了同轴与离轴奇点的作用；进一步结合双折射器件与手性分子材料，研究了自旋-轨道角动量转化和旋光性及圆二色性导致的矢量光束拓扑荷嬗变现象，以及该现象与光子的吸收、发射之间的竞争机制；阐明了离散旋转对称性与矢量光束角动量之间的相互影响：一方面，轨道角动量的改变自然会改变矢量光束的偏振态；另一方面，当离散旋转对称性与双折射、旋光及圆二色性等效应共同存在时，自旋角动量也会与离散的对称性发生作用，从而呈现出矢量光束所特有的拓扑荷嬗变现象。这一研究有助于人们进一步加深对矢量光束传输特性的理解，探明光的自旋、轨道角动量与系统的旋转对称性之间的关系，并为光学奇点在光通信、高分辨成像和光学操控等方面的应用提供新思路。