非相干白光照明下的彩色涡旋光束阵列

近年来高维度结构光成为研究热点，光的不同自由度例如振幅、相位、波长、偏振、时间等，被深入探索并取得了广泛应用。其中，光子角动量在光场调控、光通信、超分辨成像和高维量子通信等方面已经被证明有重要的应用。此外，在光学防伪、光学加密等方面，光子角动量的研究方兴未艾。然而，涡旋光束的产生要求光源具有较高的时空相干性（Advances in Optics and Photonics 3.2 (2011): 161-204.）。尽管在之前的一些报道中，携带光子轨道角动量的涡旋光束可以使用部分空间相干的准单色光或者超连续激光来产生，但是使用非相干白光产生涡旋光束尚未实现。这限制了光学防伪等要求光源普遍性的应用的进一步发展。

时空相干性对涡旋光束的产生具有重要影响，一方面部分空间相干光会导致涡旋光束变得模糊，甚至环形光强和相位奇点消失。另一方面，时间相干性变差则会导致相位奇点附近的光谱成分和颜色剧烈变化（Physical Review Letters 88.1 (2001): 013901，New Journal of Physics 4.1 (2002): 66.），涡旋光束的彩虹化和模糊化（Advances in Optics and Photonics 3.2 (2011): 161-204.），如图1所示。

图1：(a) 空间相干性不足情况下的涡旋光束，(b)时间相干性不足的多色光源产生的涡旋光束（Advances in Optics and Photonics 3.2 (2011): 161-204.）

为了从非相干白光产生的模糊的、白色的涡旋光束中，得到清晰的、彩色的涡旋光束，该研究团队从光源的时空相干性角度出发，设计并且打印3D微纳光子器件，实现了非相干白光照明条件下的彩色涡旋光束。一方面，通过将螺旋相位板（Spiral Phase Plate）小型化来提高空间相干性，另一方面利用在螺旋相位板叠加纳米柱的方法，对透射光的光谱进行调制，从而提高光束的时间相干性，如图2所示。

借助于双光子聚合方便打印3D微纳结构的特点，研究团队将涡旋相位（产生涡旋光）、纳米柱（滤波片）和聚焦相位（提高信噪比），三种功能整合在一片彩色涡旋光单元上（Coloured Vortex Beam unit, CVB unit）。通过优化底座、螺旋光滑表面和纳米柱三部分的制备工艺，仅需一分钟左右即可打印一个彩色涡旋光单元，如图3所示。

图3：三步双光子聚合打印彩色涡旋光单元

图4：非相干白光照明下“光符”的一对多验证模式

2300年前战国时期的“虎符”，通过内部形状、外部轮廓和表面字符多维度验证“符合”，确保了当时军事通信的安全。受其启发，研究团队利用高维度结构光，在颜色、空间位置和轨道角动量三个维度进行光学加密，设计并制造了“光符”（Photonic Tally）。如图4所示，将第一片“光符”作为光学锁，第二片“光符”作为光学钥匙，使用不同的钥匙去开锁，即把不同的光符叠在一起，就会得到不同的彩色涡旋光图形。

该方法打破了“虎符”一把钥匙开一把锁的验证模式，在确保多维度信息验证的防伪安全的同时，突破了“虎符”专符专用、一地一符的限制，提供了一种光学防伪标志的一对多、多对多的交叉验证模式。

其检测方式也非常便捷，只需要使用普通的光学显微镜，在透射照明模式下缩小光源的孔径就可以实现。彩色涡旋光单元在电子显微镜和光学显微镜下很难分辨，然而当显微镜聚焦在其焦平面的时候，就会展现出不同圈径的彩色环形光强分布。其颜色取决于纳米柱的高度，环形光强的圈径取决于涡旋光的拓扑荷数。利用光束的颜色、空间位置和轨道角动量三个自由度，“光符”可以加密数字、图形等信息，如图5所示。

图5：“光符”对数字和图形的加密

图6：“光符”的交叉验证模式。(a)-(b) 加密数字或图形信息的“光符”和具有共轭拓扑荷的“光符”叠加时，形成拓扑荷为0的彩色点阵“光符”。(a) 、(c)和(d) “π光符”与三种“光符”叠加，得到预先设计的不同内容，“∷光符”、“□光符”和“֎光符”。数字表示拓扑荷，可以使用机器读取

仅以10×10的彩色涡旋光单元作为展示，考虑三个颜色通道和拓扑荷数从-5到5的11个本征态，单片“光符”就可以实现33¹⁰⁰可能性的组合。相比传统的光学验证方式更加安全。将加密不同信息的“光符”叠加的时候，彩色涡旋光束发生了叠加或者湮灭，在观察平面呈现出预先设计好的内容。因此用不同的“光符”可以解密出不同的内容。

如图6所示，将加密的“π光符”与计算设计出的“π^✽光符”、“A光符”和“B光符”叠加的时候，分别可以得到“∷光符”、“□光符”和“֎光符”。这种光学交叉验证的模式，为光学配对验证防伪提供了极大的便利。

作者利用双光子聚合3D打印的便利性，设计并制造了彩色涡旋光单元，在非相干白光的照明条件下，产生彩色涡旋光束。并且在颜色、空间位置和轨道角动量进行多维度光学加密解密，提供了一种具有交叉配对验证功能的光学防伪模式。

作者在文中指出，虽然目前使用的彩色涡旋光单元的焦距是固定的，但是通过引入焦距和偏振等自由度，可以进一步实现更高维度的光场操控和光学防伪。利用LED光源等小型光源或者连续谱束缚态等新的物理机制，可以进一步增强彩色涡旋光的时空相干性，为高维光学防伪，高维光量子计算，光量子存储提供可能性。