近日，我院青年教师满忠胜副教授在光子轨道角动量研究领域获得突破性进展，相关成果以“Dual Coaxial Longitudinal Polarization Vortex Structures”为题发表于国际物理领域顶级期刊《Physical Review Letters》（物理评论快报）上。该研究成果为满忠胜副教授与深圳大学长江学者袁小聪教授、英国剑桥大学卡文迪许实验室R. E. Burge教授以及荷兰代尔夫特理工大学欧洲光学学会主席H. P. Urbach教授合作完成。论文首位作者为我院满忠胜副教授，山东理工大学为第一完成单位。
图1 自旋与轨道角动量
光作为电磁辐射家族中重要的成员之一，具有能量及线动量。此外，科学家证实光在沿着其传播方向上同样具有角动量：一个是与偏振有关，称为自旋角动量（SAM）；另一个是与梯度相位分布有关，称为轨道角动量（OAM）。对OAM的灵活调控，进一步拓展和丰富了结构光的应用，比如，在光与物质作用中角动量可传递到作用物体中，从而驱动纳米粒子的运动，因此OAM广泛应用在光学微操纵中。另外，涡旋光束在理论上可以拥有无数个彼此正交的OAM模态，在模分复用光通信中可以作为理想的信息载体，从而大大提高通信容量，目前利用OAM多路复用光通信，其容量已突破Tbit/s级别。由于OAM在诸多领域巨大的应用潜力，得到了研究者的普遍关注。
图2 定制的Pancharatnam–Berry相位导致的自旋分裂。(a)总强度；(b) 横向分量；(c) 纵向分量。
一般而言，角动量的取向垂直于其偏振方向，这是因为光波被认为是横波，也就是说光振动垂直于其波矢方向，正是由于纵向偏振分量的缺失导致了角动量与其偏振取向间的垂直关联特性。在本篇论文中，作者首次从理论上证实了具有任意可调间距的同轴双纵向偏振轨道角动量，如图2所示，通过定制的Pancharatnam–Berry相位实现了自旋轴向方向上的分裂。突破了自旋-轨道耦合中拓扑和的限制，实现了任意阶次的双光学涡旋，如图3所示，纵向偏振具有不同的相位分布，能量流动验证了该分布特性。打破了垂直关联特性，拓宽了角动量可调自由度。该工作有望在光通讯、光学信息处理、光学微操纵、显微成像、生物传感以及手性纳米光子学领域得到创新应用。
图3 横向平面上（第一行）下（第二行）焦斑纵向分量(a)、（d）强度和(b)、(e)相位分布及(c)、（f）能量流动。
《Physical Review Letters》是美国物理学会的会刊和旗舰杂志，主要发表物理和相关交叉学科的最新研究成果，是物理学领域最受认可、最权威的顶级学术期刊之一，最新的Science Citation Index影响因子为9.227。该工作得到国家自然科学基金、山东省自然科学基金资助，同时也得益于山东理工大学中青年骨干教师海内外访学计划支持。
满忠胜副教授为我校2015年引进的年轻博士，目前为物理与光电工程学院先进集成光子学团队负责人，一直从事矢量偏振拓扑方面的研究，承担国家自然科学基金、山东省自然科学基金等多项课题，入校以来，以第一和通讯作者已经在Optics Letters、Optics Express、Scientific Reports等光学领域著名期刊发表论文近二十篇，其在偏振拓扑光子学领域的开拓性研究得到国内外学者的广泛关注。
论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.103901
