标题 | 通用光束轨道角动量谱分析技术
Universal orbital angular momentum spectrum analyzer for beams
作者 | 付时尧，翟焱望，张建强，刘雪婷，宋睿，周恒，高春清
北京理工大学光电学院高春清、付时尧课题组提出了一种基于干涉的光束轨道角动量（OAM）谱测量技术，即引入参考高斯光束与待测光束干涉，通过面阵探测器测量干涉场、待测光束和参考光束的强度分布，而后经过图像处理分析得到待测光束的OAM谱。由于该技术测量OAM谱的原理基于光束OAM谱的经典定义式——螺旋谐波展开，因此该技术适应于对任意光场分布的光束的OAM谱的精确测量。PhotoniX于2020年8月17日在线发表了此工作成果，在该论文中，他们分别测量了单环涡旋光束、单环多模混合涡旋光束和多环多模混合涡旋光束，实验结果表明，对于任意光场分布的待测光束，该技术均可准确的测得其OAM谱，实验结果与理论预测吻合良好。
涡旋光束及其应用是当前光学领域的研究热点之一。涡旋光束通常指相位涡旋光束，具有螺旋形波面并携带有轨道角动量（orbital angular momentum, OAM），因此也称为OAM光束。涡旋光束的中心存在相位奇点，因此其光场分布呈中空环形。携带有OAM的涡旋光束有着广阔的应用前景，例如，光束的OAM可以作为一全新的编码、复用维度，进而有效的扩展光通信系统的信道容量；光束的OAM还可用来制得光镊，实现微粒的捕获与操控。此外，OAM在激光加工、高分辨率成像、量子技术、医学诊断等诸多领域有着巨大的应用前景。如何精确地测量激光束所包含的OAM成分及各个OAM成分的强度比重，即OAM谱，是光束OAM应用的重要基础，因此本工作开展了光束OAM谱的干涉测量技术研究，致力于开发适用于任意光束的OAM谱测量技术，为涡旋光束及OAM的应用提供基础。
国内外学者已经在OAM谱测量技术方面开展了一定的研究工作，并开发出多种测量方法，然而，现有的OAM谱测量方法与技术的基本思路在于分离一束光中不同的OAM成分，而后再分别测量强度比重。这种方法通常只针对于最常见的单环涡旋光束，对于具有复杂光场分布的光束（如贝塞尔高斯光束、厄米高斯光束等）效果欠佳。本工作提出了一种基于干涉的光束OAM谱测量技术，该技术通过测量干涉场、待测光束和参考光束的强度分布，以反推出待测光束的复振幅分布，进而基于OAM谱的定义式——螺旋谐波展开测得待测光束的OAM谱。由于该技术基于OAM谱的定义，因此对于任意光场分布的光束（单环、多环、贝塞尔高斯等，及扰动后的畸变光束）均有效。图1 和图2分别给出了采用本技术方案测得的单环涡旋光束和多环多模混合涡旋光束的OAM谱的实验结与仿真结果，可以看出，该方法适用于具有任意光场分布的光束，而不仅仅局限于常见的具有单环结构的涡旋光束，因此是一种通用的光束OAM谱测量技术。
图1 利用本工作的OAM谱干涉测量技术测量单环单一模式涡旋光束OAM谱的仿真结果与实验结果。(a)分别通过仿真和实验测得的待测光束、参考光束及它们干涉场的强度分布；(b)测量单环单一模式涡旋光束OAM谱的仿真结果；(c) 测量单环单一模式涡旋光束OAM谱的实验结果。
图2 利用本工作的OAM谱干涉测量技术测量多环多模混合涡旋光束OAM谱的仿真结果与实验结果。(a)仿真和实验测得的不同模式比重下的双模混合多环涡旋光束的强度分布；(b)测量多环多模混合涡旋光束OAM谱的仿真结果；(c) 测量多环多模混合涡旋光束OAM谱的实验结果。
付时尧，北京理工大学副研究员，博士生导师。主要研究方向包括激光光场调控技术、新型结构光场及其应用技术、新型全固态激光器等。主持国家自然科学基金项目、博新计划项目等多项科研项目，发表SCI收录的学术论文40余篇，获授权发明专利11项，出版专著1部，多次受邀参加国内外学术会议并做邀请报告。曾获中国电子学会优秀博士论文、中国光学学会王大珩光学奖、工业和信息化部工信创新特等奖等，入选第九批首都市民学习之星。现为中国光学学会高级会员，中国光学光电子行业协会青年委员，美国光学学会会员，北京光学学会委员，担任Nature Communications、Optica、ACS Photonics、Photonics Research、Optics Letters等多个顶级学术期刊审稿人。
高春清，北京理工大学教授，博士生导师。主持承担了多项国家重大重点科研项目，包括国家自然科学基金重大科研仪器项目、国家自然科学基金重点项目、科技部重点研发课题等，发表论文230余篇，SCI检索百余篇，获发明专利授权25项，出版著作3部，获得部级奖2项，是教育部新世纪优秀人才和中国电子学会优秀博士论文指导教师。中国光学学会第六、七届理事，北京光学学会理事，中国电子学会光电子与量子电子学分会副主任委员，中国光学学会光电专委会常委/激光专委会/基础光学专委会委员，中国仪器仪表学会光机电分会常务理事，是多个重点实验室的学术委员会委员，多种学术刊物的编委等。
发表于：PhotoniX
论文链接：
https://photonix.springeropen.com/articles/10.1186/s43074-020-00019-5
