[論文レビュー] Full characterization of spin-orbit coupled photons via spatial-Stokes measurement

Bing‐Shi Yu, Haijun Wu+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 9, 2019

Orbital Angular Momentum in Optics参考文献 32被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、スピン軌道結合（SOC）光子を完全に特徴付けるために、SOC状態内の2つの空間的複素確率振幅とその相対位相を直接測定する空間的ストークス測定技術を提示する。波面を平坦化する操作を回避することで、光子の真のSOC構造を保持し、標準的な量子状態トモグラフィーに比べてより正確かつ高精度な波動関数再構成を可能にする。

ABSTRACT

Characterization and analysis of spin-orbit coupled (SOC) states, as a measurement problem, play a vital role in research on the modern optics and photonics based on structured light. Here, we demonstrate determination of photonic SOC states via spatial-Stokes measurement, in which two spatial complex probability amplitudes of spin-dependent spatial modes within SOC states and their relative (intramode) phase can be measured directly. Compared with the standard quantum-state tomography, by avoiding wavefront-flattening operations, the apparatus can completely record photons' realistic SOC structure, leading to a more accurate and precise determination of wavefunction. This simple and general approach for SOC state determination can provide a powerful toolkit for in-situ measuring photonic SOC state, characterizing the quality of SOC light source and associated geometric-phase devices.

研究の動機と目的

• 構造光におけるスピン軌道結合（SOC）光子状態を直接かつ正確に特徴付けるための手法を開発すること。
• 波面を平坦化する操作を要する標準的量子状態トモグラフィーの制限を克服し、真のSOC構造が歪められるのを防ぐこと。
• 光子のSOC状態をイン・サイトで測定可能とし、SOC光源の品質評価を可能とすること。
• 構造光に基づく幾何位相素子の特徴付けに一般かつ簡便なツールキットを提供すること。

提案手法

• 本手法は、SOC状態におけるスピン依存の空間モードに関連する2つの空間的複素確率振幅を抽出する空間的ストークス測定を採用する。
• 2つの空間成分間の相対（モード内）位相を直接測定する。
• 波面を平坦化する操作を回避することで、光子の元の空間的およびスピンorial構造を保持する。
• 測定装置は、1回の非破壊的設定でSOC状態の完全な波動関数を記録するように設計されている。
• 空間的ストークスパラメータを活用して、光子の完全な量子状態を再構成する。
• 本手法は、スピン軌道結合を有するさまざまな構造光ビームに一般に適用可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 空間的ストークス測定は、波面の平坦化を回避することで、スピン軌道結合光子状態を完全かつ正確に特徴付けられるか？
• RQ2 空間的ストークス法は、標準的量子状態トモグラフィーと比較して、SOC光子の真の構造をどの程度正確に保持できるか？
• RQ3 この手法により、SOC光源のイン・サイトでの測定および品質評価がどの程度可能になるか？
• RQ4 このアプローチは、構造光に基づく幾何位相素子の特徴付けに一般化可能か？

主な発見

• 空間的ストークス測定法は、2つの空間的複素振幅とその相対位相を測定することで、スピン軌道結合光子の完全な波動関数を成功裏に捉えている。
• 波面の平坦化を回避することで、内在するSOC構造を保持し、より正確かつ高精度な波動関数の決定が可能になった。
• 本手法により、事前の状態再構成や複雑なキャリブレーションを要せず、直接的かつイン・サイトでの光子のSOC状態測定が可能となった。
• 本手法は、SOC光源および幾何位相光学素子の性能特徴付けに一般的かつ強固なツールキットを提供する。