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光學工程
光電國家實驗室學者在《光:科學與應用》發表論文

4月24日,自然出版集團旗下學術期刊《光:科學與應用》(Light: Science & Applications)發表光電國家實驗室學者研究成果,題為《基于旋轉多普勒效應的渦旋光軌道角動量復譜儀》。博士生周海龍、付棟之為該研究論文的共同第一作者,董建績教授、張沛副教授為通訊作者。

自然界中的光束通常存在著固定的模式,按照不同的正交基可以將空間光束分解為不同的模式組合,如多模光纖中的橫向分布模式LP模,自由空間傳播的光束如矢量光束、渦旋光束、軌道角動量光束等等。光束空間模式特性非常重要,如在光通信領域,空間模式表征了不同的信道;在量子光學中,空間模式表征了高維量子態;在光學操控中,空間模式表征了力矩的大小等等,因此分析和測量空間光束的模式構成是光學領域非常基礎的科學研究工具,是從事相關科學研究的必備手段。類似于分析電子設備必須用到萬用表,空間模式分析儀是空間光學中的一種基本測量工具,它能分析光束的空間模式分布特性,對復雜空間光束進行解析,判斷模式存在的類型、數量、比例、以及相位關系等。

為此科學家們對光束空間模式測量技術進行不懈的追求和努力,雖然取得了一定的進展,但是大多停留在實驗室階段,而且各種測量方案都具有特殊性,是為了特定的、具體的科學研究而設置的,不具備普適性。這些測量方法無法應用于工業生產中,實現快速、規模化、流水線的高效分析和測試,因此開發一款普適的、多功能的空間模式分析儀具有重要的科學價值和應用價值。

光電國家實驗室張新亮教授和董建績教授在軌道角動量光束測量領域進行了長期的研究和探索,從理論上證明了利用旋轉多普勒效應可以將空間模式信息完整地映射到光波的頻移上,并發現旋轉物表面并非標準鏡面,而是攜帶了各種空間螺旋相位分布的疊加函數,在該理論的指導下,進一步根據旋轉物散射光的頻率構成,反推出入射光空間模式的分布。通過合理的設計拍頻效應,將空間模式一一映射到拍頻頻率上,利用光電探測器分析拍頻信號的成分還原出入射模式的復振幅分布,包括幅度信息和相位信息,即一種空間模式分析儀。該項技術可一次性地測量出光束的模式組成成分,包括軌道角動量模式分布和LP模式分布,極大地推進了空間模式測量技術的發展;該技術也被應用于測量少模光纖中的模式損耗和傳播常數,進一步開發成一種光纖特征參數分析儀,這種多功能的測量儀器猶如是空間光束的“萬用表”,在光學通信、空間光學等領域發揮著重要的作用。

該成果由我校、西安交通大學和中山大學合作完成。該項研究得到了中國國家重點基礎研究項目、教育部新世紀優秀人才項目、全國優秀博士論文資助基金、中國國家自然科學基金、湖北省基礎創新研究群體自然科學基金的支持。


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