前沿进展 | 基于石墨烯的可调控涡旋光束生成器

导读

近日，国防科技大学罗晖教授团队和杨俊波研究员团队合作，共同设计出一种基于对角十字形石墨烯结构的可调太赫兹涡旋光生成器。该器件能够在保持偏振状态不变的情况下，将线性偏振的平面入射光转化为涡旋光束，器件结构如图1所示。更重要的是，通过调控石墨烯结构的费米能级，可以对所生成涡旋光束的拓扑荷数进行切换，这是以往同类型器件难以实现的。

研究成果以“Tunable polarization-preserving vortex beam generator based on diagonal cross-shaped graphene structures at terahertz frequency”为题、于2023年4月17日发表在Advanced Optical Materials上。

图1 基于对角十字形石墨烯结构的涡旋光束生成器示意图

研究背景

涡旋光束是一种携带轨道角动量且具有螺旋波前的结构光场，具有非常奇特的光学特性。1992年，惠更斯实验室的科学家首次证明了近轴条件下携带螺旋相位因子的光场具有轨道角动量。此后，涡旋光束因其在光操控、光存储、光通信等领域的广泛应用而备受关注。近年来，随着旋转多普勒效应和量子陀螺技术的发展，涡旋光束在惯性测量领域的应用也吸引了诸多学者的研究兴趣。

涡旋光束的产生是一切应用研究的基础，目前用于生成涡旋光束的方法主要包括螺旋相位板法、计算全息法和柱透镜转换法等。在上述方法中，尽管螺旋相位板产生法是其中较为简单的一种，但其往往具有体积大、制备工艺要求高，制备难度大等特点。此外，该类器件一旦制备完成，其特性也就随之确定，无法进行调控，从而极大限制了涡旋光束的应用潜力。因此，研发具有超小尺寸、状态可调的涡旋光束生成器，对涡旋光束在前沿领域的应用拓展具有重要意义。

研究亮点

该研究团队以石墨烯超材料结构为基础，设计了一种在保偏状态下具有拓扑荷数可调功能的太赫兹涡旋光束生成器件。该器件采用了基于石墨烯的对角十字形结构，打破了传统可调超材料器件中相位调控范围与偏振状态转换捆绑的困境。

该结构在保持光束偏振状态与入射光一致的条件下，能够同时实现2π全范围相位调控及稳定的高传输效率。经过严格的参数设计，该涡旋光生成器可以在保持偏振状态不变的情况下，将线性偏振的平面入射光转化为涡旋光束。同时，在4.5~5.5THz的频带内，通过调控石墨烯材料的费米能级，可以实现涡旋光束的拓扑荷数在l = 1 (l = -1)和l = 2 (l = -2)之间进行切换。

如图2所示，在以石墨烯为结构单元的超材料器件中，通常由光与物质相互作用产生的表面等离激元（Surface Plasmon Polaritons, SPP）发挥“偶极子天线”的作用。根据类洛伦兹响应，单一偶极子天线对光场相位的调节范围最高可到π。

图2（a）对角十字形石墨烯结构单元的俯视图；（b）（c）石墨烯单元上可激发的SPP模式；（d）（e）石墨烯SPP中y分量的相位和电场模分布；（f）（g）x分量的相位和电场模分布；（h）（i）反射光场的y分量和x分量

而该工作中所提出的对角十字形石墨烯结构，相当于两个具有独立参数的偶极子天线结合体，因此可以有效的提升光场相位调控能力。此外，基于设计结构的对称性，该器件可以在保证偏振状态不变的情况下，实现对光场2π范围的相位调控（图3），为涡旋光束生成器的设计奠定了基础。

图3 相位和振幅随结构参数的变化关系

为实现涡旋光束的生成，研究团队将器件划分为8个区域。通过结构参数的合理化选取，使8个区域对应的光场相位在0 ~ 2π范围内呈阶梯状分布，即可得到拓扑荷数为l = 1 (l = -1)的涡旋光束。同时，通过调控不同区域石墨烯的费米能级，上述8个区域的相位分布范围能够从0 ~ 2π切换为0 ~ 4π，即可实现涡旋光束拓扑荷数在l = 1 (l = -1)和l = 2 (l = -2)之间的切换。此外，该团队在研究过程中发现，该器件的功能具有良好的宽带响应特性（图4）。

图4 可调涡旋光束生成器的宽带相应特性

总结与展望

该团队提出的基于石墨烯超材料的涡旋光生成器件设计方案，突破了传统相位调控超材料中为实现相位调控范围完全覆盖2π的目的，需将相位调控功能与诸如偏振转换等其他功能进行捆绑的限制。这项工作提出以对角十字形石墨烯结构作为相位调控器件的基础单元，可以在保持偏振状态不变的情况使波束的相位调控范围完全覆盖2π，同时将波束的传输效率稳定维持在较高水平。

以上述结构为基础单元，设计出了拓扑荷数可调的涡旋光生成器。通过调整石墨烯的费米能级，可以实现涡旋光束的拓扑荷数在l = 1与l = 2之间、l = -1与l = -2之间发生动态切换。此外，该工作中设计的器件除了拥有宽带响应特性外，还可以通过设计单元的组合拓展设计出拓扑荷数为l = n （n = ±1, ±2, ±3 …）涡旋光生成器，并通过费米能级的调控实现生成涡旋光束的拓扑荷数在l = n与l = 2n间切换。

该成果为涡旋光束的生成和调控提供了一种新的方案，对基于涡旋光束的光操控、光存储、光通信等技术的发展，以及涡旋光束在旋转多普勒效应和量子陀螺等惯性测量技术领域的应用具有重要意义。后续该合作研究团队会进一步探索，将此技术应用于量子陀螺等惯性测量技术领域。

国防科技大学陈丁博助理研究员和杨俊波研究员为论文的共同第一作者，谭中奇教授和罗晖教授为共同通讯作者。该研究成果得到国家自然科学基金、科技部重点研发项目、湖南省自然科学基金等项目的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adom.202300182