We demonstrate experimentally an optical process in which the spin angular momentum carried by a circularly polarized light beam is converted into orbital angular momentum, leading to the generation of helical modes with a wave-front helicity controlled by the input polarization. This phenomenon requires the interaction of light with matter that is both optically inhomogeneous and anisotropic. The underlying physics is also associated with the so-called Pancharatnam-Berry geometrical phases involved in any inhomogeneous transformation of the optical polarization.

The angular momentum of light can be described by positions on a higher-order Poincaré sphere, where superpositions of spin and orbital angular momentum states give rise to laser beams that have many applications, from microscopy to materials processing. Many techniques exist to create such beams but none so far allow their creation at the source. Here we report on a new class of laser that is able to generate all states on the higher-order Poincaré sphere. We exploit geometric phase control inside a laser cavity to map polarization to orbital angular momentum, demonstrating that the orbital angular momentum degeneracy of a standard laser cavity may be broken, producing pure orbital angular momentum beams, and that generalized vector vortex beams may be created with high purity at the source. This work paves the way to new lasers for structured light based on intracavity geometric phase control. By exploiting geometric phase control inside a laser cavity to map polarization to orbital angular momentum, a new class of laser that is able to generate all states on the higher-order Poincaré sphere is reported.

A few years ago the possibility of coupling and inter-converting the spin and orbital angular momentum (SAM and OAM) of paraxial light beams in inhomogeneous anisotropic media was demonstrated. An important case is provided by waveplates having a singular transverse pattern of the birefringent optical axis, with a topological singularity of charge q at the plate center, hence named 'q-plates'. The introduction of q-plates has given rise in recent years to a number of new results and to significant progress in the field of orbital angular momentum of light. Particularly promising are the quantum photonic applications, because the polarization control of OAM allows the transfer of quantum information from the SAM qubit space to an OAM subspace of a photon and vice versa. In this paper, we review the development of the q-plate idea and some of the most significant results that have originated from it, and we will briefly touch on many other related findings concerning the interaction of the SAM and OAM of light.

Vector modes are spatial modes that have spatially inhomogeneous states of polarization, such as, radial and azimuthal polarization. They can produce smaller spot sizes and stronger longitudinal polarization components upon focusing. As a result, they are used for many applications, including optical trapping and nanoscale imaging. In this work, vector modes are used to increase the information capacity of free space optical communication via the method of optical communication referred to as mode division multiplexing. A mode (de)multiplexer for vector modes based on a liquid crystal technology referred to as a q-plate is introduced. As a proof of principle, using the mode (de)multiplexer four vector modes each carrying a 20 Gbit/s quadrature phase shift keying signal on a single wavelength channel (~1550nm), comprising an aggregate 80 Gbit/s, were transmitted ~1m over the lab table with <-16.4 dB (<2%) mode crosstalk. Bit error rates for all vector modes were measured at the forward error correction threshold with power penalties < 3.41dB.

Light with twist and structure Möbius strips are three-dimensional structures consisting of a surface with just a single side. Readily demonstrated by snipping a paper ring, adding a twist, and then joining the ends of paper together again, these structures have intriguing mathematical properties in terms of topology and geometry. Bauer et al. used a liquid crystal to engineer the wavefront of a laser beam to make an optical version of the Möbius strip by effectively “snipping and twisting” the polarization properties of the light beam. Science , this issue p. 964

Twisted photons are photons carrying a well-defined nonzero value of orbital angular momentum (OAM). The associated optical wave exhibits a helical shape of the wavefront (hence the name) and an optical vortex at the beam axis. The OAM of light is attracting a growing interest for its potential in photonic applications ranging from particle manipulation, microscopy and nanotechnologies, to fundamental tests of quantum mechanics, classical data multiplexing and quantum communication. Hitherto, however, all results obtained with optical OAM were limited to laboratory scale. Here we report the experimental demonstration of a link for free-space quantum communication with OAM operating over a distance of 210 meters. Our method exploits OAM in combination with optical polarization to encode the information in rotation-invariant photonic states, so as to guarantee full independence of the communication from the local reference frames of the transmitting and receiving units. In particular, we implement quantum key distribution (QKD), a protocol exploiting the features of quantum mechanics to guarantee unconditional security in cryptographic communication, demonstrating error-rate performances that are fully compatible with real-world application requirements. Our results extend previous achievements of OAM-based quantum communication by over two orders of magnitudes in the link scale, providing an important step forward in achieving the vision of a worldwide quantum network.

We describe the polarization topology of the vector beams emerging from a patterned birefringent liquid crystal plate with a topological charge q at its center (q-plate). The polarization topological structures for different q-plates and different input polarization states have been studied experimentally by measuring the Stokes parameters point-by-point in the beam transverse plane. Furthermore, we used a tuned q=1/2-plate to generate cylindrical vector beams with radial or azimuthal polarizations, with the possibility of switching dynamically between these two cases by simply changing the linear polarization of the input beam.

The optical ``spin-orbit'' coupling occurring in a suitably patterned nonuniform birefringent plate known as a ``$q$ plate'' allows entangling the polarization of a single photon with its orbital angular momentum (OAM). This process, in turn, can be exploited for building a bidirectional ``spin-OAM interface,'' capable of transposing the quantum information from the spin to the OAM degree of freedom of photons and vice versa. Here, we experimentally demonstrate this process by single-photon quantum tomographic analysis. Moreover, we show that two-photon quantum correlations such as those resulting from coalescence interference can be successfully transferred into the OAM degree of freedom.

After the discovery of zero viscosity in liquid helium, other fundamental properties of the superfluidity phenomenon have been revealed. One of them, irrotational flow, gives rise to quantized vortices and persistent currents. Those are the landmarks of superfluidity in its modern understanding. Recently, a new variety of dissipationless fluid behaviour has been found in microcavities under the optical parametric regime. Here we report the observation of metastable persistent polariton superflows sustaining a quantized angular momentum, m, after applying a 2-ps laser pulse carrying a vortex state. We observe a transfer of angular momentum to the steady-state condensate, which sustains vorticity for as long as it can be tracked. Furthermore, we study the stability of quantized vortices with m=2. The experiments are analysed using a generalized two-component Gross–Pitaevskii equation. These results demonstrate the control of metastable persistent currents and show the peculiar superfluid character of non-equilibrium polariton condensates. Similar to atoms in cold gases, exciton–polaritons in semiconductor microcavities can undergo Bose–Einstein condensation, but under non-equilibrium conditions. Now, quantized vortices and persistent currents — hallmarks of superfluid behaviour — have been observed in such condensates.

Using a photoalignment technique with a sulphonic azo-dye as the surfactant aligning material, we fabricated electrically tunable liquid crystal q-plates with topological charge 0.5, 1.5 and 3 for generating optical vortex beams with definite orbital angular momentum (OAM) 1,3 and 6 per photon (in units of h), respectively.We carried out several tests on our q-plates, including OAM tomography, finding excellent performances.These devices can have useful applications in general and quantum optics.