[논문 리뷰] Full characterization of spin-orbit coupled photons via spatial-Stokes measurement

Bing‐Shi Yu, Haijun Wu외 5명|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 09.

Orbital Angular Momentum in Optics참고 문헌 32인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 스핀-오르빗 결합(SOC)을 가진 광자를 직접 측정함으로써 공간 복소 확률 진폭 두 개와 그들의 상대 위상이 포함된 SOC 상태 내에서 완전히 특성화하는 공간-스토크스 측정 기법을 제안한다. 파면을 평탄화하는 연산을 피하기 때문에 광자의 진정한 SOC 구조를 유지할 수 있으며, 표준 양자 상태 토모그래피보다 더 정확하고 정밀한 파동함수 재구성 가능하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 구조광 내 스핀-오르빗 결합(SOC)된 광자 상태를 직접적이고 정확하게 특성화하기 위한 방법 개발
• 파면 평탄화 작업을 필요로 하는 표준 양자 상태 토모그래피의 한계를 극복하여 진정한 SOC 구조를 왜곡 없이 유지
• 광자 SOC 상태의 현장 측정 및 SOC 빛 원천 품질 평가 가능
• 구조광 기반 기하 위상 장치를 특성화하기 위한 일반적이고 단순한 도구상 제공

제안 방법

• 이 방법은 SOC 상태 내 스핀에 의존하는 공간 모드와 관련된 두 개의 공간 복소 확률 진폭을 추출하기 위해 공간-스토크스 측정을 활용한다.
• 이 방법은 SOC 상태의 두 공간 성분 간의 상대(내모드) 위상을 직접 측정한다.
• 파면 평탄화 작업을 회피함으로써 광자의 원래 공간적 및 스핀orial 구조를 유지한다.
• 측정 설정은 단일 비파괴 구성에서 SOC 상태의 전체 파동함수를 기록하도록 설계되어 있다.
• 이 기술은 공간-스토크스 파라미터를 활용하여 광자의 완전한 양자 상태를 재구성한다.
• 이 방법은 다양한 스핀-오르빗 결합을 가진 구조광 빛을 포함한 다양한 경우에 일반적으로 적용 가능하다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공간-스토크스 측정이 파면 평탄화 없이 스핀-오르빗 결합된 광자 상태를 완전하고 정확하게 특성화할 수 있는가?
• RQ2 공간-스토크스 방법은 표준 양자 상태 토모그래피에 비해 진정한 SOC 광자의 구조를 얼마나 잘 유지하는가?
• RQ3 이 방법을 통해 SOC 빛 원천의 현장 측정 및 품질 평가를 어느 정도 가능하게 하는가?
• RQ4 이 접근법은 구조광 기반 기하 위상 장치를 일반화하여 특성화할 수 있는가?

주요 결과

• 공간-스토크스 측정 방법은 두 개의 공간 복소 진폭과 그들의 상대 위상을 측정함으로써 스핀-오르빗 결합된 광자의 전체 파동함수를 성공적으로 캡처하였다.
• 파면 평탄화를 피했기 때문에 내재된 SOC 구조를 유지하여 더 정확하고 정밀한 파동함수 결정이 가능했다.
• 이 기술은 사전 상태 재구성 또는 복잡한 校정이 필요 없이 직접적인 현장 측정이 가능하게 하였다.
• 이 방법은 SOC 빛 원천 및 기하 위상 광학 장치의 성능을 특성화하기 위한 일반적이고 강력한 도구상 제공하였다.