光束轨道角动量的应用场景有哪些？

文 / 付时尧，北京理工大学

先前研究已经证明，光子可携带轨道角动量（orbital angular momentum, OAM），携带轨道角动量的光束通常成为OAM光束。OAM光束具有螺旋形波面，其与平面波的干涉场呈现为“漩涡”状，如图1所示，因此也被成为涡旋光束。光束OAM的本征值称为拓扑荷或角量子数，其可为任意整数，且不同的OAM态相互正交，因此光束的OAM提供了一无穷维希尔伯特空间，在高维光场调控等领域有着广泛的应用前景。

早在20世纪初期，科学家就预研了光束可携带OAM，然而直到1992年，人们才发现并证明了光束携带的OAM与光场复振幅的内在联系，使得“宏观控微观”的光束OAM调控成为可能，开启了激光光场调控技术的新纪元。此后，有关OAM光束的研究不温不火，多停留于理论与技术基础方面，其主要原因在于当时OAM光束的应用不明晰。

后来，随着研究的逐渐深入，基于OAM光束的先进应用不断被发掘，并有望进一步提升已有系统的性能，扩展激光的应用场景，掀起了国内外有关OAM光束及OAM调控技术研究的热潮。

OAM光束的主要应用场景包括：

OAM模式间的正交性使得其可作为载波将模分复用技术引入光通信系统中，显著提升了系统信道容量，当前已有报道实现了百拍比特每秒的数据传输。此外，光子OAM态亦可作为高维数字信号的编码特征，实现高维数字信号编译码，显著提升了光子效率。图2为OAM模式复用大容量光通信原理示意图。

如何高效生成OAM光束，是其应用的重要基础。当前国内外学者已经在光束OAM调控方面开展了大量的研究工作，研发了一系列OAM光束的制备方法，按照其调控方式可分为腔内调控法和腔外调控法两大类。

通过腔内置入光子自旋轨道耦合器件，也可实现类似的效果，例如，通过腔内插入q波片可直接输出自旋角动量（SAM）-OAM经典不可分柱矢量光束；通过插入J波片（一种新型超表面）可获得携带OAM的复杂矢量涡旋光束的输出（图4）。此外，采用半导体微腔耦合以及全光纤（错位熔融焊接、光纤光栅等）方式，均可使激光器直接输出OAM光束。

随着应用场景的多样化，OAM光束的生成技术从单一自由度（OAM）调控走向了多自由度协同调控。例如，通过对路径及OAM双自由度调控获得了OAM光束阵列，通过SAM和OAM双自由度调控获得了复杂矢量光束等。过去十年，本团队提出了一系列矢量涡旋光束生成技术，包括泰曼格林干涉法、类Sagnac法、双调制器级联法等，亦报道了轴向偏振谐振矢量光束、OAM光束阵列、完美涡旋光束阵列、OAM光梳（图6）等复杂OAM光场。

本团队在国家重点研发计划、973计划、国家自然科学基金等国家级项目资助下，长期从事激光光场调控及应用、新型全固态激光器技术等研究，取得了一系列成果，并在多系统中得到应用。并于2019年出版了专著《涡旋光束》，对携带OAM的涡旋光束的基本理论、生成技术、基本校正技术、模式识别技术等进行了详细介绍，欢迎广大读者阅读。