北理工團隊在復(fù)雜渦旋光場調(diào)控及應(yīng)用方面取得一系列進展
發(fā)布日期：2022-08-31 供稿：光電學(xué)院 攝影：光電學(xué)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(shù)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，吸引了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。特別是在超大容量光通信領(lǐng)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(fù)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(fù)雜渦旋光場的按需調(diào)控是實現(xiàn)上述應(yīng)用的必要條件之一，然而當(dāng)前復(fù)雜渦旋光場調(diào)控方面仍存在許多尚未解決的科學(xué)問題及技術(shù)瓶頸，例如，多模復(fù)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(yīng)時間長等，阻礙了渦旋光束的實際工程化應(yīng)用。
針對上述問題，北京理工大學(xué)光電學(xué)院高春清、付時堯團隊開展了復(fù)雜渦旋光場調(diào)控及應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸攻堅，取得了一系列重要成果，相關(guān)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(yīng)用。主要研究進展包括：
1、高維OAM光梳的生成技術(shù)
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(fù)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(shù)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(shù)獲得靈感，構(gòu)建了 x 坐標(biāo)與 φ 坐標(biāo)的映射關(guān)系，研制了角向二值化相位結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)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(yīng)固定的角向二值化相位的相位躍變點坐標(biāo)，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(shù)生成高維OAM光束響應(yīng)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(biāo)數(shù)值解，可供本領(lǐng)域科研及技術(shù)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(shù)
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(biāo)。由于不同OAM分布的渦旋光束在同一應(yīng)用場景下會展現(xiàn)完全不同的性能，因此光束的OAM譜的準(zhǔn)確測量是其應(yīng)用的重要基礎(chǔ)。然而，當(dāng)前有報道的光束OAM譜的測量技術(shù)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(shù)，可適用于任意復(fù)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(zhǔn)確譯碼等一系列應(yīng)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(shù)
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(shù)（Opt. Express ,29,10811(2021), Optica Image of the Week）、超高維激光陣列光源技術(shù)（Opt. Lett. 45, 6330(2020)）、深度學(xué)習(xí)輔助光束OAM譜測量技術(shù)（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(shù)。
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(xué)副研究員、博士生導(dǎo)師，主要研究方向為激光光場多維度協(xié)同調(diào)控技術(shù)及應(yīng)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(xué)基金等科研項目9項，部分科研成果已經(jīng)工程化應(yīng)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(xué)術(shù)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(xué)術(shù)著作出版基金資助。獲得中國光學(xué)學(xué)會王大珩光學(xué)獎等榮譽。現(xiàn)為中國光學(xué)學(xué)會高級會員、中國激光與光電子行業(yè)協(xié)會激光應(yīng)用分會青年委員、中國光學(xué)工程學(xué)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＜摇⒈本┕鈱W(xué)學(xué)會委員、美國光學(xué)學(xué)會（Optica）會員及審稿專家， SCI期刊《Frontiers in Physics》客座編輯，此外還擔(dān)任《Nature Communications》《Light: Science & Applications》《ACS Photonics》等多個學(xué)術(shù)期刊審稿人。
高春清，北京理工大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，光學(xué)工程學(xué)科責(zé)任教授。長期從事激光與光電子技術(shù)領(lǐng)域的研究，近年來主持國家自然科學(xué)基金重大科研儀器項目、國家自然科學(xué)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(shù)、人眼安全激光器件與技術(shù)、渦旋光束和矢量光束的產(chǎn)生及應(yīng)用等方面成績突出，研究成果已在多個單位獲得應(yīng)用。曾入選教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才，獲中國電子學(xué)會優(yōu)秀博士論文指導(dǎo)教師獎和優(yōu)秀碩士論文指導(dǎo)教師獎。發(fā)表學(xué)術(shù)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(dān)任中國電子學(xué)會光電子與量子電子學(xué)分會副主任委員，中國光學(xué)學(xué)會光電專委會常委、激光專委會委員，中國儀器儀表學(xué)會光機電技術(shù)與系統(tǒng)集成分會常務(wù)理事，是光子測控技術(shù)教育部重點實驗室等的學(xué)術(shù)委員會委員，擔(dān)任《光子學(xué)報》《激光與紅外》《紅外與激光工程》《應(yīng)用光學(xué)》等刊物的編委。
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