北理工團隊與香港大學(xué)合作提出一種基于達曼渦旋超表面的光束微分運算方法
發(fā)布日期：2022-10-06 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)：
近日，北京理工大學(xué)王涌天教授團隊的黃玲玲教授等人與香港大學(xué)張霜老師合作，提出了一種基于達曼渦旋超表面的光束微分運算方法，實現(xiàn)了數(shù)學(xué)函數(shù)微分加減運算的全光表達。該項研究成果發(fā)表在國際著名期刊 Science Advances 上，題目為Basis function approach for diffractive pattern generation with Dammann Vortex Metasurfaces。
光計算是當(dāng)前科研發(fā)展的熱門話題，不同于電子計算起源于對邏輯門的控制，光擁有的多種物理屬性及高速并行運算能力。函數(shù)微分和四則運算作為數(shù)學(xué)理論的核心基礎(chǔ)，也是提高現(xiàn)代光子計算能力的重要手段。軌道角動量作為光的一種基本物理屬性，具備無限數(shù)目正交通道的特點，因此應(yīng)用軌道角動量的復(fù)用/解復(fù)用可以實現(xiàn)光信息的多路復(fù)載。廣義渦旋光束能夠?qū)⒉煌能壍澜莿恿颗c圍繞光學(xué)奇點相位微分的疏密變化構(gòu)建關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)函數(shù)式相位微分與光束輪廓形態(tài)的結(jié)合，從而打破了傳統(tǒng)渦旋光束相位微分為常數(shù)的限制。通常，達曼渦旋光柵是軌道角動量復(fù)用解復(fù)用的基本載體，它能夠在光柵的不同衍射級次上有序的呈現(xiàn)攜帶不同拓撲荷數(shù)的渦旋光束，而渦旋光束陣列之間存在典型的與衍射級次相關(guān)的倍乘與加減運算關(guān)系。
為了利用全光手段實現(xiàn)函數(shù)微分和四則運算功能的結(jié)合，黃玲玲教授團隊?wèi)?yīng)用廣義渦旋光束的設(shè)計方法，結(jié)合達曼渦旋優(yōu)化，通過設(shè)置自定義的相位微分基本函數(shù)，實現(xiàn)了不同衍射級次的多種微分函數(shù)加減運算的直觀光學(xué)展現(xiàn)。以三角函數(shù)為例，類比于傅里葉級次方法對任意周期函數(shù)的展開表達，利用中心基本拓撲荷的相位微分、橫向與縱向相位微分函數(shù)變化的結(jié)合，實現(xiàn)了不同衍射級次上不同函數(shù)特征的分布。并且，根據(jù)廣義渦旋光束相位微分與光束形態(tài)之間的關(guān)聯(lián)，不同衍射級次上的各異函數(shù)變化呈現(xiàn)為不同的光束輪廓，構(gòu)成了豐富多樣的陣列圖案，實驗驗證單次同時計算顯示的各異渦旋光束陣列可多達7×7。相比于傳統(tǒng)光計算，該方法實現(xiàn)了函數(shù)微分加減運算的直觀圖像化表達，并且這種新型的函數(shù)式微分加減計算功能突破了傳統(tǒng)光學(xué)計算圍繞特定三角函數(shù)數(shù)值進行分析的局限。此外，針對單個光束的閉合圓周覆蓋連續(xù)自變量范圍以及多個光束之間的微分加減運算關(guān)聯(lián)都使得光計算擁有更強的靈活性和功能性。
這種新提出的光束微分運算方法，實現(xiàn)了高速大容量并列計算和直觀化顯示，利用光束形態(tài)如廣義渦旋光、結(jié)構(gòu)光、空間模式作為數(shù)學(xué)運算的展示，打破了傳統(tǒng)光計算圖形顯示的困難，更進一步豐富了光計算的形式與功能。并且這種光學(xué)微分運算超表面支持復(fù)雜形式光束輸入運算，因此對于軌道角動量信息傳輸與存儲加密都能夠引入更豐富的自由度該方法能夠為探索渦旋信息加密、光學(xué)操縱和光通信、量子糾纏等各種應(yīng)用打開新的大門。
文章鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abp8073
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