標題 | 通用光束軌道角動量譜分析技術
Universal orbital angular momentum spectrum analyzer for beams
作者 | 付時堯，翟焱望，張建強，劉雪婷，宋睿，周恆，高春清
導讀
北京理工大學光電學院高春清、付時堯課題組提出了一種基於幹涉的光束軌道角動量（OAM）譜測量技術，即引入參考高斯光束與待測光束幹涉，通過面陣探測器測量幹涉場、待測光束和參考光束的強度分布，而後經過圖像處理分析得到待測光束的OAM譜。由於該技術測量OAM譜的原理基於光束OAM譜的經典定義是——螺旋諧波展開，因此該技術適應於對任意光場分布的光束的OAM譜的精確測量。PhotoniX於2020年8月17日在線發表了此工作成果，在該論文中，他們分別測量了單環渦旋光束、單環多模混合渦旋光束和多環多模混合渦旋光束，實驗結果表明，對於任意光場分布的待測光束，該技術均可準確的測得其OAM譜，實驗結果與理論預測吻合良好。
研究背景
渦旋光束及其應用是當前光學領域的研究熱點之一。渦旋光束通常指相位渦旋光束，具有螺旋形波面並攜帶有軌道角動量（orbital angular momentum, OAM），因此也稱為OAM光束。渦旋光束的中心存在相位奇點，因此其光場分布呈中空環形。攜帶有OAM的渦旋光束有著廣闊的應用前景，例如，光束的OAM可以作為一全新的編碼、復用維度，進而有效地擴展光通信系統的信道容量；光束的OAM還可用來製得光鑷，實現微粒的捕獲與操控。此外，OAM在雷射加工、高解析度成像、量子技術、醫學診斷等諸多領域有著巨大的應用前景。如何精確地測量雷射束所包含的OAM成分及各個OAM成分的強度比重，即OAM譜，是光束OAM應用的重要基礎，因此本工作開展了光束OAM譜的幹涉測量技術研究，致力於開發適用於任意光束的OAM譜測量技術，為渦旋光束及OAM的應用提供基礎。
技術突破
國內外學者已經在OAM譜測量技術方面開展了一定的研究工作，並開發出多種測量方法，然而，現有的OAM譜測量方法與技術的基本思路在於分離一束光中不同的OAM成分，而後再分別測量強度比重。這種方法通常只針對於最常見的單環渦旋光束，對於具有複雜光場分布的光束（如貝塞爾高斯光束、厄米高斯光束等）效果欠佳。
本工作提出了一種基於幹涉的光束OAM譜測量技術，該技術通過測量幹涉場、待測光束和參考光束的強度分布，以反推出待測光束的復振幅分布，進而基於OAM譜的定義是——螺旋諧波展開測得待測光束的OAM譜。由於該技術基於OAM譜的定義，因此對於任意光場分布的光束（單環、多環、貝塞爾高斯等，及擾動後的畸變光束）均有效。圖1 和圖2分別給出了採用本技術方案測得的單環渦旋光束和多環多模混合渦旋光束的OAM譜的實驗結與仿真結果，可以看出，該方法適用於具有任意光場分布的光束，而不僅僅局限於常見的具有單環結構的渦旋光束，因此是一種通用的光束OAM譜測量技術。
圖1 利用本工作的OAM譜幹涉測量技術測量單環單一模式渦旋光束OAM譜的仿真結果與實驗結果。(a)分別通過仿真和實驗測得的待測光束、參考光束及它們幹涉場的強度分布；(b)測量單環單一模式渦旋光束OAM譜的仿真結果；(c) 測量單環單一模式渦旋光束OAM譜的實驗結果。
圖2 利用本工作的OAM譜幹涉測量技術測量多環多模混合渦旋光束OAM譜的仿真結果與實驗結果。(a)仿真和實驗測得的不同模式比重下的雙模混合多環渦旋光束的強度分布；(b)測量多環多模混合渦旋光束OAM譜的仿真結果；(c) 測量多環多模混合渦旋光束OAM譜的實驗結果。
主要作者介紹
付時堯，北京理工大學副研究員，博士生導師。主要研究方向包括雷射光場調控技術、新型結構光場及其應用技術、新型全固態雷射器等。主持國家自然科學基金項目、博新計劃項目等多項科研項目，發表SCI收錄的學術論文40餘篇，獲授權發明專利11項，出版專著1部，多次受邀參加國內外學術會議並做邀請報告。曾獲中國電子學會優秀博士論文、中國光學學會王大珩光學獎、工業和信息化部工信創新特等獎等，入選第九批首都市民學習之星。現為中國光學學會高級會員，中國光學光電子行業協會青年委員，美國光學學會會員，北京光學學會委員，擔任Nature Communications、Optica、ACS Photonics、Photonics Research、Optics Letters等多個頂級學術期刊審稿人。
高春清，北京理工大學教授，博士生導師。主持承擔了多項國家重大重點科研項目，包括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、科技部重點研發課題等，發表論文230餘篇，SCI檢索百餘篇，獲發明專利授權25項，出版著作3部，獲得部級獎2項，是教育部新世紀優秀人才和中國電子學會優秀博士論文指導教師。中國光學學會第六、七屆理事，北京光學學會理事，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/雷射專委會/基礎光學專委會委員，中國儀器儀表學會光機電分會常務理事，是多個重點實驗室的學術委員會委員，多種學術刊物的編委等。