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Optical spin-to-orbital angular momentum conversion in ultra-thin metasurfaces with arbitrary topological charges

角动量 物理 轨道角动量复用 方位量子数 光的轨道角动量 角动量耦合 总角动量 光的角动量 自旋(空气动力学) 光子 角动量算符 光学 拓扑(电路) 量子力学 热力学 组合数学 数学
作者
Frédéric Bouchard,Israel De Leon,Sebastian A. Schulz,Jeremy Upham,Ebrahim Karimi,Robert W. Boyd
出处
期刊:Applied Physics Letters [American Institute of Physics]
卷期号:105 (10) 被引量:133
标识
DOI:10.1063/1.4895620
摘要

Orbital angular momentum associated with the helical phase-front of optical beams provides an unbounded “space” for both classical and quantum communications. Among the different approaches to generate and manipulate orbital angular momentum states of light, coupling between spin and orbital angular momentum allows a faster manipulation of orbital angular momentum states because it depends on manipulating the polarisation state of light, which is simpler and generally faster than manipulating conventional orbital angular momentum generators. In this work, we design and fabricate an ultra-thin spin-to-orbital angular momentum converter, based on plasmonic nano-antennas and operating in the visible wavelength range that is capable of converting spin to an arbitrary value of orbital angular momentum ℓ. The nano-antennas are arranged in an array with a well-defined geometry in the transverse plane of the beam, possessing a specific integer or half-integer topological charge q. When a circularly polarised light beam traverses this metasurface, the output beam polarisation switches handedness and the orbital angular momentum changes in value by ℓ=±2qℏ per photon. We experimentally demonstrate ℓ values ranging from ±1 to ±25 with conversion efficiencies of 8.6% ± 0.4%. Our ultra-thin devices are integratable and thus suitable for applications in quantum communications, quantum computations, and nano-scale sensing.
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