[論文レビュー] Generation and reverse transformation of twisted light by spatial light modulator

Zhi‐Yuan Zhou, Zhi‐Han Zhu+7 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2016

Orbital Angular Momentum in Optics参考文献 14被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、回折理論に基づき、位相のみを制御する空間光変調器（SLM）を用いたねじれ光の生成および逆変換に関する理論的・実験的研究を提示する。光の伝搬に伴い、ガウスビームがどうやってリング状のねじれ光ビームに変化するかを示す解析的表現を導出し、SLMを再設定することで、逆に準ガウス形状に再変換されるプロセスについても明らかにした。本研究は、光通信におけるOAMモード multiplexing における重要な知見を提供する。

ABSTRACT

A spatial light modulator (SLM) is one of the most useful and convenient device to generate structural light beams such as twisted light and complexed images used in modern optical science. The unbounded dimension of twisted light makes it promising in harnessing information carrying ability of a single photon, which greatly enhances the channel capacity in optical communications. We perform a detail theoretical study of the birth, evolution and reverse transformation of twisted light generated from a phase-only SLM based on diffraction theory, analytical expressions are obtained to show the special evolution behaviors of the light beam with the propagation distance. Beam intensity distributions calculated theoretically are in well agreement with experimental observations. Our findings clearly reveal how twisted light gradually emerges from a Gaussian spatial shape to a ring shape, and also the ring shape will gradually evolve to a quasi-Gaussian shape conversely, in the reverse transformation. These results will provide guidelines for using SLM in many optical experiments and OAM-mode multiplexing in optical communications.

研究の動機と目的

• 位相のみを制御する空間光変調器（SLM）を用いたねじれ光の生成における物理的メカニズムを理解すること。
• ガウスビームからリング状のビームに変化するねじれ光の強度分布の伝搬過程を分析すること。
• SLMを再設定することで、ねじれビームが再び準ガウス形状に回復する逆変換プロセスを調査すること。
• 軌道的角運動量（OAM）ビームを含む光学実験におけるSLMの使用に関する理論的・実験的指針を提供すること。
• ビームの進化と可逆性を特徴づけることで、光通信におけるOAMモード multiplexing の開発を支援すること。

提案手法

• スカラー回折理論を用いたビーム伝搬の理論的モデリングにより、位相のみを制御するSLMからの光ビームの進化を記述する。
• 伝搬距離の関数として生成されたねじれ光の強度分布を記述する解析的表現を導出する。
• 導出された表現に基づき、ビーム強度分布のシミュレーションと計算を行い、ガウスからリング状の分布への進化を予測する。
• 実験的に、位相のみを制御するSLMを用いてねじれ光を生成し、さまざまな距離での強度分布を測定することで理論的予測を検証する。
• SLMを再設定して逆変換を誘発し、リング状ビームが徐々に準ガウス形状に回復する様子を観察する。
• 理論的予測と実験的観察を比較し、正確性と一貫性を確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 位相のみを制御するSLMは、どのようにガウスビームを軌道的角運動量を有するねじれ光ビームに変換するのか？
• RQ2 伝搬中にねじれ光の強度がどのように変化するかを記述する解析的表現は何か？
• RQ3 ビームプロファイルは、どのようにしてガウス分布からリング状の強度分布に変化するのか？
• RQ4 ねじれ光が再び準ガウス形状に逆変換可能であるか、その条件は何か？
• RQ5 ねじれ光の生成および逆変換において、理論的予測と実験的観察の一致度合いはどの程度か？

主な発見

• SLMによって生成されたねじれ光の理論的強度分布は、さまざまな伝搬距離において実験測定値と極めて良好に一致している。
• 伝搬距離が増加するに従い、ビームはガウスプロファイルから明確なリング状の強度分布に変化しており、これは軌道的角運動量の発現を確認するものである。
• 逆変換過程では、SLMを再設定することでリング状ビームが徐々に準ガウスプロファイルに戻ることを確認し、可逆的制御が可能であることを示した。
• 回折理論から導出された解析的表現は、ビームの進化を正確に記述でき、強度プロファイルの精密な予測を可能にした。
• 本研究の結果は、OAM状態が明確に定義されたねじれ光の動的かつ可逆的生成にSLMを用いる可能性を裏付けた。
• 本研究の知見は、光通信におけるOAMモード multiplexing システムの設計に信頼できる基盤を提供する。