北理工團隊在復雜渦旋光場調(diào)控及應用方面取得一系列進展
發(fā)布日期：2022-08-31 供稿：光電學院 攝影：光電學院
編輯：盛筠 審核：董立泉 閱讀次數(shù)：
相位渦旋光束是一種攜帶有軌道角動量（OAM）的新型結(jié)構(gòu)光束，在超大容量光通信,、新體制激光雷達,、激光加工,、高密度光存儲,、高分辨率成像,、量子技術等領域有著廣泛的應用前景，吸引了國內(nèi)外學者的廣泛關注,。特別是在超大容量光通信領域,，由于相位渦旋光束攜帶的OAM具有無窮個本征值,，且不同的OAM模式相互正交，使得其不僅可作為信號載波以模式復用的方式來拓展信道容量,，還可用于超高維數(shù)字信號編碼,，通過提升光子效率的方式間接拓展信道容量,。實現(xiàn)復雜渦旋光場的按需調(diào)控是實現(xiàn)上述應用的必要條件之一,，然而當前復雜渦旋光場調(diào)控方面仍存在許多尚未解決的科學問題及技術瓶頸，例如,，多模復用高維OAM調(diào)控較為困難,，光束OAM譜的測量的泛化能力較弱，OAM模式分布切換響應時間長等,，阻礙了渦旋光束的實際工程化應用,。
針對上述問題,，北京理工大學光電學院高春清,、付時堯團隊開展了復雜渦旋光場調(diào)控及應用的關鍵技術瓶頸攻堅，取得了一系列重要成果,，相關工作發(fā)表于PhotoniX（SCI一區(qū),，IF：19.818）、Advanced Photonics Nexus（CLP與SPIE合辦新刊物）,、Photonics Research （SCI一區(qū),，IF：7.254）,、Optics Express,、Optics Letters等，獲20余項授權(quán)發(fā)明專利,，并在多個系統(tǒng)中得到工程化應用,。主要研究進展包括：
1、高維OAM光梳的生成技術
OAM光梳是一種在“ l 域”中由等模式間距的一系列分離OAM模式構(gòu)成的復雜光場結(jié)構(gòu),，其為超高光子效率信息編碼的載體,，同時也是高密度全息加密技術的“鑰匙”。先前研究已經(jīng)證明,，采用純相位調(diào)制方法不可能將基模高斯光束轉(zhuǎn)化為OAM光梳,，若要獲得OAM光梳，則必須采用迭代等方法無限逼近,，而迭代過程是費時的,，將高維信號編碼的優(yōu)勢抵消殆盡。針對這一問題,，該團隊從達曼光柵技術獲得靈感,，構(gòu)建了 x 坐標與 φ 坐標的映射關系，研制了角向二值化相位結(jié)構(gòu)衍射光學器件,，最終實驗獲得了127維OAM光梳,，模式均勻性達92.04%,，如圖1所示。由于不同的OAM光束對應固定的角向二值化相位的相位躍變點坐標,，使得可根據(jù)數(shù)值解而無需任何迭代運算即可生成任意OAM光梳,，有效的解決了現(xiàn)有技術生成高維OAM光束響應時間長的問題。該團隊公開了不同OAM光梳下角向二值化相位的相位躍變點坐標數(shù)值解,，可供本領域科研及技術人員直接調(diào)用,。該工作為高維渦旋光場調(diào)控提供了全新思路，發(fā)表于CLP與SPIE新辦刊物Advanced Photonics Nexus,，并被選為AP Nexus創(chuàng)刊首期封面,，如圖2所示。付時堯副研究員是該文的第一作者及通訊作者,，高春清教授為該文的共同通訊作者,。
圖1 實驗獲得的127維OAM光梳
圖2 Advanced Photonics Nexus創(chuàng)刊首期封面
2、光束OAM譜的通用測量技術
光束所攜帶的不同OAM成分的強度比重構(gòu)成了光束的OAM譜,，OAM譜是描述光束OAM分布特性的重要指標,。由于不同OAM分布的渦旋光束在同一應用場景下會展現(xiàn)完全不同的性能，因此光束的OAM譜的準確測量是其應用的重要基礎,。然而,，當前有報道的光束OAM譜的測量技術通常只針對具有圓對稱性的橫向光場分布的光束，對于任意光場分布的光束泛化能力不夠,。針對這一問題,，該團隊從光束OAM譜的定義出發(fā)，提出了光束OAM譜的通用測量技術,，可適用于任意復雜光場分布光束的OAM譜測量,。在測量過程中，只需引入以參考光束與待測光束同軸干涉,，通過測量干涉場及帶相移的干涉場分布即可獲得待測光束的OAM譜,。該工作為OAM光通信系統(tǒng)接收端的準確譯碼等一系列應用場景提供了全新解決方案，發(fā)表于SCI一區(qū)刊物PhotoniX,。付時堯副研究員是該文的第一作者,，高春清教授為該文的通訊作者。
圖3 光束OAM譜的通用測量技術
此外,，該團隊還提出了渦旋光場多自由度協(xié)同調(diào)控技術（Opt. Express ,29,10811(2021), Optica Image of the Week）,、超高維激光陣列光源技術（Opt. Lett. 45, 6330(2020)）、深度學習輔助光束OAM譜測量技術（Opt. Lett.47, 1419(2022)）等,，并進一步演示了高維多態(tài)光子OAM鍵控通信（Opt. Express, 27, 33111(2019)）,、光子OAM編碼組網(wǎng)（Opt. Lett.44, 4753(2019), Optica Editor’s pick）等新型渦旋光束通信技術。
文章鏈接：
https://doi.org/10.1117/1.APN.1.1.016003
https://doi.org/10.1186/s43074-020-00019-5
https://doi.org/10.1364/OE.422301
https://doi.org/10.1364/OL.412411
https://doi.org/10.1364/OL.443726
https://doi.org/10.1364/OE.27.033111
https://doi.org/10.1364/OL.44.004753
附主要作者簡介：
付時堯,，北京理工大學副研究員,、博士生導師,，主要研究方向為激光光場多維度協(xié)同調(diào)控技術及應用。于2019年入選人力資源和社會保障部博士后創(chuàng)新人才支持計劃,，主持國家自然科學基金等科研項目9項,，部分科研成果已經(jīng)工程化應用。在PhotoniX,、Photonics Research,、Advanced Photonics Nexus、Optics Letters,、Optics Express,、Applied Physics Letters、New Journal of Physics等知名期刊上發(fā)表SCI收錄論文40余篇,；多次受邀在國內(nèi)外頂級學術會議上作邀請報告,；獲18項授權(quán)發(fā)明專利；出版專著《渦旋光束》,，并入選國家“十三五”重點出版規(guī)劃,，獲2018年國家科技學術著作出版基金資助。獲得中國光學學會王大珩光學獎等榮譽?，F(xiàn)為中國光學學會高級會員,、中國激光與光電子行業(yè)協(xié)會激光應用分會青年委員、中國光學工程學會會刊《紅外與激光工程》青年編委,、教育部全國研究生教育評估監(jiān)測專家?guī)鞂＜?、北京光學學會委員、美國光學學會（Optica）會員及審稿專家,， SCI期刊《Frontiers in Physics》客座編輯,，此外還擔任《Nature Communications》《Light: Science & Applications》《ACS Photonics》等多個學術期刊審稿人,。
高春清,，北京理工大學教授、博士生導師,，光學工程學科責任教授,。長期從事激光與光電子技術領域的研究，近年來主持國家自然科學基金重大科研儀器項目,、國家自然科學基金重點項目,、科技部重點研發(fā)計劃課題等項目20余項，在單頻穩(wěn)頻激光器件與技術,、人眼安全激光器件與技術,、渦旋光束和矢量光束的產(chǎn)生及應用等方面成績突出，研究成果已在多個單位獲得應用,。曾入選教育部新世紀優(yōu)秀人才,，獲中國電子學會優(yōu)秀博士論文指導教師獎和優(yōu)秀碩士論文指導教師獎,。發(fā)表學術論文260余篇，其中SCI檢索百余篇,，SCI他引1500余次,，出版著作3部，獲得發(fā)明專利授權(quán)30項,，獲得部級科技獎二,、三等獎各1項。擔任中國電子學會光電子與量子電子學分會副主任委員,，中國光學學會光電專委會常委,、激光專委會委員，中國儀器儀表學會光機電技術與系統(tǒng)集成分會常務理事,，是光子測控技術教育部重點實驗室等的學術委員會委員,，擔任《光子學報》《激光與紅外》《紅外與激光工程》《應用光學》等刊物的編委。
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