北理工團(tuán)隊(duì)在光子角動(dòng)量譜測(cè)量方面取得重要突破
發(fā)布日期：2025-01-11 供稿：光電學(xué)院 攝影：光電學(xué)院
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近日，北京理工大學(xué)光電學(xué)院付時(shí)堯、高春清團(tuán)隊(duì)提出了一種緊湊型光子角動(dòng)量譜智能感知方法，采用自主研發(fā)的周期漸變超表面提取待測(cè)光束的角動(dòng)量特征，并經(jīng)設(shè)計(jì)搭建的SADT-Net神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能分析，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光子角動(dòng)量譜的精確測(cè)量，該項(xiàng)研究成果以“Metasurface based intelligent identification of total angular momentum spectra for beams”為題發(fā)表于SCI一區(qū)期刊ACS Photonics。該工作得到了北京市自然科學(xué)基金、國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。該工作的合作單位為中國(guó)電力科學(xué)研究院以及香港理工大學(xué)，北京理工大學(xué)是唯一通訊作者單位。北京理工大學(xué)光電學(xué)院2022級(jí)博士研究生李浪、2022級(jí)碩士研究生高李梁、中國(guó)電科院程宇心博士為該論文的共同第一作者，付時(shí)堯教授為該論文的通訊作者。
先前研究表明，光子作為一種能量子，也可攜帶角動(dòng)量。在傍軸近似下，光子的總角動(dòng)量態(tài)可表示為自旋角動(dòng)量態(tài)與軌道角動(dòng)量態(tài)的直積。自旋角動(dòng)量有兩個(gè)本征值，對(duì)應(yīng)宏觀的左右旋圓偏振態(tài)；而軌道角動(dòng)量對(duì)應(yīng)于宏觀的螺旋波面，其本征值可為任意整數(shù)。由于這些總角動(dòng)量模式彼此正交，一束光中可同時(shí)包含多個(gè)總角動(dòng)量模式，這些模式的相對(duì)強(qiáng)度分布就是這束光的總角動(dòng)量譜，決定了光束的橫向拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（各向異性波前及偏振分布）。光束的總角動(dòng)量已應(yīng)用于大容量光通信、信息加密、新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)光場(chǎng)研究等領(lǐng)域，而高精度測(cè)量總角動(dòng)量譜是這些前沿領(lǐng)域的核心基礎(chǔ)。不同于軌道角動(dòng)量譜的單一自由度測(cè)量，總角動(dòng)量譜測(cè)量需要對(duì)兩種自旋角動(dòng)量態(tài)下的軌道角動(dòng)量譜進(jìn)行同時(shí)感測(cè)。現(xiàn)有技術(shù)通常利用偏振敏感器件進(jìn)行光束總角動(dòng)量模式分束以間接測(cè)量，但分束模式易混疊，支持模式數(shù)有限，僅能識(shí)別總角動(dòng)量模式，很難測(cè)量總角動(dòng)量譜。
圖1 光束總角動(dòng)量譜測(cè)量基本原理
針對(duì)上述問題，為實(shí)現(xiàn)對(duì)光子總角動(dòng)量譜的精確測(cè)量，付時(shí)堯教授團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用幾何相位設(shè)計(jì)方法，制備了周期漸變結(jié)構(gòu)超表面，完成了對(duì)待測(cè)光束總角動(dòng)量分布特征的提取。該超表面的兩個(gè)衍射級(jí)分別為兩個(gè)自旋角動(dòng)量本征模式下的特征提取衍射光場(chǎng)，經(jīng)相機(jī)采集后，再利用該工作設(shè)計(jì)訓(xùn)練的、建立了特征衍射光場(chǎng)與對(duì)應(yīng)總角動(dòng)量譜的映射關(guān)系的SADT-Net卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析，最終高精度測(cè)量了待測(cè)光束的總角動(dòng)量譜，測(cè)量均方誤差達(dá)到了10-6。該方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)自旋角動(dòng)量譜和軌道角動(dòng)量譜的同時(shí)測(cè)量，最多支持34個(gè)總角動(dòng)量模式，且魯棒性強(qiáng)。此外，該測(cè)量方法表現(xiàn)出很強(qiáng)的抗噪聲的能力，在實(shí)驗(yàn)中引入圖像采集噪聲、光路對(duì)準(zhǔn)誤差后，仍能保持光束總角動(dòng)量譜的高精度識(shí)別。
圖2 不同強(qiáng)度圖像采集噪聲下的光束總角動(dòng)量譜識(shí)別效果
該工作利用周期漸變結(jié)構(gòu)超表面成功提取了待測(cè)光束的總角動(dòng)量分布特征，再經(jīng)人工智能算法識(shí)別，最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)光束總角動(dòng)量譜的快速高精度測(cè)量，提供了緊湊、快速、穩(wěn)定、準(zhǔn)確的光子態(tài)譜測(cè)量方案。該工作將有力促進(jìn)大容量激光通信、新型激光探測(cè)、高維量子信息等基于光子角動(dòng)量的新質(zhì)應(yīng)用發(fā)展。
文章鏈接：https://doi.org/10.1021/acsphotonics.4c01930
第一作者簡(jiǎn)介：
李浪，北京理工大學(xué)光電學(xué)院2022級(jí)博士研究生，導(dǎo)師為付時(shí)堯教授，主要研究方向?yàn)閺?fù)雜結(jié)構(gòu)光場(chǎng)分析及其在目標(biāo)探測(cè)等方面的應(yīng)用。在Advanced Photonics等發(fā)表論文11篇，以學(xué)生第一發(fā)明人申請(qǐng)發(fā)明專利1項(xiàng)，獲軟著2項(xiàng)。參加2024年全國(guó)光學(xué)與光學(xué)工程博士生學(xué)術(shù)聯(lián)賽，以百?gòu)?qiáng)賽單場(chǎng)冠軍身份進(jìn)入全國(guó)總決賽并獲優(yōu)秀獎(jiǎng)。
高李梁，北京理工大學(xué)光電學(xué)院2022級(jí)碩士研究生，導(dǎo)師為付時(shí)堯教授，主要研究向?yàn)闇u旋光場(chǎng)模場(chǎng)分析與評(píng)價(jià)，在ACS Photonics等發(fā)表論文4篇，以學(xué)生第一發(fā)明人申請(qǐng)發(fā)明專利1項(xiàng)。
程宇心，博士，工作于中國(guó)電力科學(xué)研究院電力傳感研究所，主要從事MEMS電氣量微納傳感器研發(fā)工作，在Nature Communications等發(fā)表論文18篇。
通訊作者簡(jiǎn)介：
付時(shí)堯，北京理工大學(xué)教授、博導(dǎo)，國(guó)家級(jí)青年人才。長(zhǎng)期從事激光光場(chǎng)調(diào)控技術(shù)及應(yīng)用研究，主持國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、基金委原創(chuàng)探索計(jì)劃等項(xiàng)目十余項(xiàng)，出版專著2部，發(fā)表論文60余篇，獲授權(quán)發(fā)明專利22項(xiàng)，研究成果已應(yīng)用于多個(gè)系統(tǒng)。曾入選博新計(jì)劃，獲北京市自然科學(xué)二等獎(jiǎng)（序1）、中國(guó)電子學(xué)會(huì)優(yōu)秀博士論文獎(jiǎng)、王大珩光學(xué)獎(jiǎng)等。現(xiàn)為美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)資深會(huì)員（Optica Senior Member）、中國(guó)激光雜志社第三屆青年編委員會(huì)委員、《光學(xué)學(xué)報(bào)》等期刊青年編委、《紅外與激光工程》青編委會(huì)執(zhí)行委員會(huì)委員等。
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