[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出一种空间-Stokes测量技术，通过直接测量自旋-轨道耦合（SOC）态中两个空间复振幅及其相对相位，实现对自旋-轨道耦合光子的完全表征。该方法避免了波front展平操作，保留了光子的真实SOC结构，从而在波函数重建方面比标准量子态层析技术更准确、更精确。

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.

研究动机与目标

• 开发一种直接、准确的方法，用于表征结构光中自旋-轨道耦合（SOC）光子态。
• 克服标准量子态层析技术的局限性，后者需要波front展平操作，会扭曲真实的SOC结构。
• 实现在位测量光子SOC态并评估SOC光源质量。
• 为基于结构光的几何相位器件提供一种通用且简便的表征工具包。

提出的方法

• 该方法采用空间-Stokes测量，提取与SOC态中自旋依赖的空间模式相关的两个空间复振幅。
• 直接测量SOC态两个空间分量之间的相对（模内）相位。
• 该方法避免波front展平操作，保留了光子原始的空间和旋量结构。
• 测量装置设计为在单一、非侵入性配置下记录SOC态的完整波函数。
• 该技术利用空间-Stokes参数重构光子的完整量子态。
• 该方法具有通用性，适用于各种具有自旋-轨道耦合的结构光束。

实验结果

研究问题

• RQ1 空间-Stokes测量能否在无需波front展平的情况下，完整且准确地表征自旋-轨道耦合光子态？
• RQ2 与标准量子态层析技术相比，空间-Stokes方法在保留SOC光子真实结构方面表现如何？
• RQ3 该方法在多大程度上可实现对SOC光源的在位测量和质量评估？
• RQ4 该方法能否推广用于表征基于结构光的几何相位器件？

主要发现

• 空间 pastes 测量方法通过测量两个空间复振幅及其相对相位，成功捕获了自旋-轨道耦合光子的完整波函数。
• 通过避免波front展平，该方法保留了内在的SOC结构，从而实现了更准确、更精确的波函数确定。
• 该技术可实现直接、在位测量光子SOC态，无需事先进行态重建或复杂校准。
• 该方法为表征SOC光源和几何相位光学器件的性能提供了一套通用且稳健的工具包。