beat365官方网站現代光學研究所“極端光學團隊”胡小永教授和龔旗煌院士與合作者在光學軌道角動量拓撲荷轉化研究中取得重要進展：通過環繞在不同黎曼面上的兩組非厄米奇異點（Exceptional points, EPs）實現了光學軌道角動量（Orbital Angular Momentum, OAM）拓撲荷的轉換，發現通過操縱兩個片上波導模式的絕熱和非絕熱演化來環繞不同黎曼面上的兩組非厄米奇異點，不但能實現手性傳輸行為，而且任何OAM拓撲荷的轉換和最終拓撲荷大小都由起始點位置和環繞方向共同決定，工作為芯片上操縱OAM拓撲荷的轉換提供了一種新的方法。2024年6月14日，相關研究成果以“動力學環繞不同黎曼面上的奇異點實現軌道角動量拓撲荷轉換”（Dynamically Encircling Exceptional Points in Different Riemann Sheets for Orbital Angular Momentum Topological Charge Conversion）為題，在線發表于《物理評論快報》（Physical Review Letters）。

光學軌道角動量的螺旋相位表現為exp(-ilθ)，其中l代表拓撲荷，從理論上講，光學軌道角動量的拓撲荷可以構建無限的希爾伯特空間，這種特性為光信号的編碼和處理提供了新的自由度，進一步推動了光通信系統的發展。為了實現更靈活的信息處理，光學軌道角動量拓撲荷的轉換變得至關重要。雖然目前超表面、螺旋相位闆以及液晶元件等是實現光學軌道角動量拓撲荷轉換的重要平台，但是芯片集成的光學軌道角動量拓撲荷轉換依然是一個亟待解決的難題。

研究團隊提出通過環繞奇異點實現光學軌道角動量拓撲荷轉換的新方法（如圖1 所示）。非厄米系統的參數空間中的兩個或多個特征值及其對應的特征向量簡并時會産生奇異點。如果在奇異點附近充分緩慢地改變系統的參數，可以實現光學信息的轉換，如非對稱模式轉換、偏振态轉換、量子态轉換等。研究團隊構建了環繞奇異點的理論模型，詳細研究了芯片上波導系統的非厄米特性對光學軌道角動量拓撲荷轉換的影響，揭示了在不同環繞方向和起始點情況下的光學軌道角動量拓撲荷轉換過程（如圖2所示），發現通過環繞不同黎曼面上的奇異點可以實現不同拓撲荷的光學軌道角動量模式轉換，該環繞過程具有特殊的手性行為，從參量空間m到參量空間n（其中m ≠ n），如果m < n，則環繞回路沿着逆時針方向；反之，如果m > n，則環繞回路沿着順時針方向。

圖1 通過環繞奇異點實現光學軌道角動量拓撲荷轉換示意圖

圖2 動态環繞不同黎曼面上的奇異點實現光學軌道角動量拓撲荷轉換的理論模型。(a)(c)(e)(g) 在黎曼面上以不同環繞方向和初始态繪制的三維演化軌迹（藍色曲線）。藍色和黃色點分别表示起始點和終點。(b)(d)(f)(h) 理論計算得到的特征态振幅随時間的演化過程。

研究團隊進一步構建了由兩個環形波導組成的非厄米系統（圖3所示），并構建了四種不同的環繞路徑，波導的參數沿傳播方向随着環繞路徑發生變化。當一個波導中不同拓撲荷的光學軌道角動量模式與另一個波導中相同拓撲荷的光學軌道角動量模式發生耦合時，會産生兩組不同的黎曼面和兩組不同的奇異點，這為實現光學軌道角動量拓撲荷轉換提供了新的途徑。不同環繞方向和初始态下光學軌道角動量拓撲荷轉換過程如圖4所示，光學軌道角動量耦合模式從環形波導的上方入射，表示順時針環繞過程，拓撲荷由低階轉換為高階；光學軌道角動量耦合模式從環形波導的下方入射，表示逆時針環繞過程，拓撲荷由高階轉換為低階。此研究展示了光學軌道角動量拓撲荷轉換過程中的手性傳輸行為，并且為實現芯片上光學軌道角動量模式的操縱提供了一種新穎的方法。

圖3 動态環繞不同黎曼面上的奇異點實現光學軌道角動量拓撲荷轉換。 (a) 系統的有效模式折射率的實部，折射率的實部和虛部n 和 k 為參數空間。(b) A1、B1、A2、B2 的本征态。(c) 系統的結構示意圖。(d)(e) 波導系統的四組環繞路徑随着 n 和 k 的變化情況。

圖4 不同環繞方向和初始态下光學軌道角動量拓撲荷轉換。（a）順時針方向，初始态為A1。（b）順時針方向，初始态為B1。（c）逆時針方向，初始态為A2。（d）逆時針方向，初始态為B2。圖中展示了輸入和輸出态的xy平面相位分布以及傳輸過程的電場強度分布。

beat365官方网站2020級博士研究生齊慧欣為第一作者，beat365官方网站胡小永、北京化工大學數理學院王興遠副教授為共同通訊作者，其他合作者還包括beat365官方网站2021級博士研究生李延東、2020級博士研究生王曉曉、博新計劃博士後李耀龍、2021級本科生黎旭揚等。上述研究成果得到國家自然科學基金，以及量子物質科學協同創新中心、極端光學協同創新中心等支持。

論文原文鍊接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.243802