OES封面 | 复杂环境下部分相干涡旋光场轨道角动量鲁棒检测技术

研究背景

近日，山东师范大学光场调控及应用中心蔡阳健教授团队提出了一种基于交叉相位调控检测方案，实现了在复杂环境中对部分相干涡旋光束轨道角动量信息的准确测量。在该项工作中，研究团队仅借助交叉相位对空间相干结构的各向异性调控，实现了拓扑荷/轨道角动量信息的鲁棒传输与远场检测。交叉相位产生的模式转换特性，可使隐藏在相干结构中的轨道角动量/拓扑荷信息以分离的环形暗环相干奇点结构显现出来，其中，暗环相干奇点的数量对应于拓扑荷的大小，暗环排列的方向对应于拓扑荷的符号。因此，通过对交叉相位调制后的相干结构进行检测，就可以获取远场拓扑荷的信息。该方法不仅适用于自由空间传输环境下的检测，同样适用于有障碍物遮挡和大气湍流扰动的传输环境下的检测。这是因为交叉相位带来的自修复能力的提高足以抵抗复杂环境造成的不利影响。图1为该方案的示意图。

图1 通过交叉相位探测部分相干光学涡旋轨道角动量的示意图

众所周知，部分相干拉盖尔高斯光束在远场处的相干结构会以同心暗环的结构分布存在，其中，暗环的数目等于拓扑荷的大小。因此，相干结构可以携带信息，用于信息传输与加密。然而在复杂传输环境中，由于大气湍流的影响，原有的圆对称相干结构会发生明显的扭曲[图2(a1)-(a4)]。特别是在大气湍流扰动和障碍物遮挡的共同作用下，相干结构被进一步破坏呈散斑状，使得我们难以从中提取出拓扑荷信息[图2(b1)-(b4)]。文章指出，在交叉相位调控的作用下，用来表征拓扑荷信息的相干结构具有很强的抗环境扰动能力，即使是在大气湍流和障碍物附加的双重扰动下，其结构始终保持不变，并以定向分离的可识别的多暗环结构分布稳定存在[图2(c1)-(d4)]。

图2 利用交叉相位实现复杂环境下部分相干涡旋光束相干结构的鲁棒传输与调控。右下角的插图表示被具有不同遮挡角α的障碍物遮挡后源平面处对应的强度分布。

文章给出了利用交叉相位调控方法测量部分相干涡旋光束相干结构/拓扑荷信息的实验结果。结果表明，通过调控交叉相位，部分相干拉盖尔高斯光束的相干结构在大气湍流与障碍物遮挡作用下依然可以保持稳定的空间结构分布（图3），并且从这种分离式的多奇点暗环结构分布中可以有效快速提取光束所携带的拓扑荷/轨道角动量信息。为了进一步验证该方法的鲁棒特性，研究团队在不同的湍流强度下（T =75 ℃和T =100 ℃）也进行了相应的实验验证（见论文原文图10），实验与理论结果的高度吻合性有力地证明了所提出方法的有效性、准确性和鲁棒性。该研究方法和结果在基于复杂环境中的光信息加密、自由空间光通信等方向具有潜在的应用价值。

图3 利用交叉相位实现复杂环境下部分相干涡旋光束拓扑荷测量的实验结果

该工作得到了国家重点研发计划项目（2022YFA1404800，2019YFA0705000）、国家自然科学基金项目(12104264，12192254，92250304和12374311)、中国博士后科学基金项目（2022T150392）、山东省自然科学基金项目(ZR2021QA014，ZR2023YQ006)和山东省青创科技计划项目（2022KJ246）的支持，以“Robust measurement of orbital angular momentum of a partially coherent vortex beam under amplitude and phase perturbations”为题作为封面文章发表在Opto-Electronic Science （光电科学）2024年第1期。