北理工團(tuán)隊(duì)在寬譜軌道角動(dòng)量光梳調(diào)控研究方面取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2025-04-17 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)提出了一種寬譜軌道角動(dòng)量光梳智能調(diào)控方法,，實(shí)現(xiàn)了軌道角動(dòng)量態(tài)±75范圍內(nèi)的光場(chǎng)超高維調(diào)控,，該研究成果以" Intelligent tailoring of broadband orbital angular momentum comb towards efficient optical convolution" 為題發(fā)表在頂刊Photonics Research（SCI一區(qū)，IF：6.6）,。該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金原創(chuàng)探索計(jì)劃,、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等支持,。北京理工大學(xué)是唯一第一及通訊作者單位,，北理工2023級(jí)博士研究生周詩(shī)韻為第一作者，付時(shí)堯教授為通訊作者,。
軌道角動(dòng)量（Orbital angular momentum, OAM）作為一種激光的新型高維自由度,，在超大容量光通信、新體制激光雷達(dá),、高密度光存儲(chǔ),、量子信息技術(shù)等尖端領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景,。一束激光可同時(shí)攜帶多個(gè)OAM模式，且不同的OAM模式相互正交,，在“OAM域”中構(gòu)成了梳狀函數(shù),，即OAM光梳。寬譜OAM光梳是超高光子效率信息編碼的載體,，同時(shí)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(wú)限逼近，而迭代過程是費(fèi)時(shí)的,，將高維信號(hào)編碼的優(yōu)勢(shì)抵消殆盡,。寬譜OAM光梳的高效、精準(zhǔn)按需調(diào)控仍面臨重大挑戰(zhàn),。
針對(duì)這一問題,，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于多尺度融合學(xué)習(xí)的U型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（MSUNet），用于編碼寬譜OAM光梳調(diào)控相位計(jì)算,，實(shí)現(xiàn)了寬譜OAM光梳的快速,、精準(zhǔn)按需調(diào)控。如圖1所示,，該智能框架通過多尺度特征提取補(bǔ)償模式強(qiáng)度損失,，極大提高了相位調(diào)制圖樣的生成精度與計(jì)算效率。通過引入OAM譜測(cè)量模型,，能夠直接分析調(diào)制后的光場(chǎng)精度,，實(shí)現(xiàn)有效的損失約束。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法的卓越性能,，其調(diào)制OAM模式范圍可覆蓋-75至+75,，平均均方根誤差（RMSE）低至0.0037，保真度達(dá)到85.01%,，計(jì)算時(shí)間僅約30毫秒,，如圖2所示。
圖1 多尺度融合學(xué)習(xí)的U型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)寬譜OAM光梳智能調(diào)控
圖2 寬譜OAM光梳按需調(diào)控實(shí)驗(yàn)結(jié)果
此外,，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將定制的寬譜OAM光梳應(yīng)用于光學(xué)卷積計(jì)算,，實(shí)現(xiàn)了任意離散函數(shù)的矢量卷積運(yùn)算，如圖3所示,，其實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證RMSE為0.0138,，保真度達(dá)82.82%，展現(xiàn)了OAM光梳在高階光學(xué)計(jì)算中的潛在能力。
圖3 寬譜OAM光梳矢量卷積運(yùn)算
該工作突破了寬譜OAM光梳按需調(diào)控的技術(shù)瓶頸,，提供了一種簡(jiǎn)單,、高效且高精度的解決方案，為未來高維OAM光場(chǎng)在光學(xué)計(jì)算,、大容量通信,、量子信息處理等前沿領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
論文鏈接：https://doi.org/10.1364/PRJ.550470
附作者簡(jiǎn)介：
第一作者,，周詩(shī)韻,，北京理工大學(xué)光電學(xué)院2023級(jí)博士研究生，導(dǎo)師為付時(shí)堯教授,，主要研究方向?yàn)榧す夤鈭?chǎng)智能調(diào)控算法,。以第一作者在Photon. Res., Opt. Lett.等期刊發(fā)表SCI論文4篇，申請(qǐng)發(fā)明專利 5項(xiàng),。
通訊作者,，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23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?，F(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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