光子轨道角动量量子态传输研究进展

携带轨道角动量(OAM)的光束理论上拥有无限个相互正交的本征态,因此可以作为独立信息传输光束促进大容量经典光通信的发展。在量子信息领域,近年来高维量子系统因为有更大的信道容量和更强的抗噪声能力引起了研究人员的极大兴趣,而光子OAM出色的维度拓展能力使其成为实现高维量子系统的重要手段。综述了光子OAM传输的研究进展,重点介绍和分析了自由空间、光纤以及水下等多种传输方式下OAM量子叠加态和纠缠态分发工作,并对实际应用中面临的问题和潜在的解决方案进行了阐述,可为相关领域研究者提供参考。     

光子轨道角动量在量子通信中应用的研究进展

轨道角动量是光子的量子态,具有轨道角动量的光束在光通信等领域中得到了广泛的应用,是目前国内外研究的热点方向之一,特别是轨道角动量可作为自由空间量子信息物理载体的重要选择,这将对量子通信领域带来重要的影响。介绍了光子轨道角动量的定义、产生,简要列举当前的相位、偏振编码经典的两类量子密码通信方案以作对照,以提出的光子轨道角动量密码通信方案为例,着重介绍了光子轨道角动量在量子通信中的应用研究及展望。     

涡旋光束制备及其在惯性测量领域的研究进展（特邀）

涡旋光束是一种携带轨道角动量且具有螺旋波振面的新型结构光场。自1992年Allen等首次证明了近轴条件下带有螺旋相位因子的光场具有轨道角动量以来,涡旋光束因其在光操控、光通信、光学测量和遥感等领域中的广泛应用而备受关注,特别是近年来涡旋光束在惯性测量领域的应用吸引了诸多学者的研究兴趣。文中主要涉及三个方面的内容:涡旋光束制备方法研究进展;涡旋光束在惯性测量领域中的关键应用,具体为基于涡旋光的旋转多普勒效应和量子陀螺;最后还就惯性测量对涡旋光束制备提出的新要求进行了讨论。     

轨道角动量光束中的经典光关联及其应用研究北大核心CSCD

量子光场的关联性质是量子光学研究的一个重要主题。在对其深入挖掘的过程中,人们在经典光场关联性质方面的研究也取得了一系列重要进展。尤其是结合近二十年来在光信息处理方面备受关注的轨道角动量自由度,观察到许多与高维量子光关联性质相对应的现象。本综述对轨道角动量光束中的经典光关联相关研究进行了总结,介绍了轨道角动量光束中的局域不可分离性及其应用,对空间可分离轨道角动量光束中的经典光关联也做了讨论。特别地,作为一种潜在的量子过程研究平台,还对基于轨道角动量光束的随机行走研究作了介绍。     

大气湍流对单光子通信中光子态的影响

为了研究光子态在大气湍流中的变化规律,基于拉盖尔-高斯光束横向空间波函数(光子轨道角动量的本征函数)以及湍流大气中拉盖尔-高斯光束光子态(可由各本征光子态叠加构成),得到了湍流大气中光子态的探测概率,并分析了大气湍流、传输距离、质量因子对光子态的影响。结果表明,质量因子是决定发射光子态跳变的重要因素,相同质量因子的光子态在接受端的测量权重基本相同,且质量因子值越大原光子态测量权重越小。同时,在湍流大气的影响下,从原光子态跳变到轨道角动量增加某值的光子态的测量权重总和与跳变到减小相应轨道角动量的光子态的测量权重总和基本相同;随着湍流强度或传输距离的增加,发射光子态在接受端的光子测量权重不断减小,而且湍流强度对光子态测量权重的影响比距离的大。     

“轨道角动量:从经典光学到量子信息”专辑前言北大核心CSCD

光子既是经典信息也是量子信息的理想载体。单个光子不仅可以携带自旋角动量,还可以携带轨道角动量。自旋角动量的研究历史比较悠久,早在1909年, Poynting就将宏观上光波的圆偏振态和微观上单个光子的自旋角动量联系起来。但直到1992年,荷兰Leidon大学的Allen等才在理论上确认光子也可以携带另外一种形式的角动量――轨道角动量,它来源于光波的螺旋相位。     

单光子斜程量子信道纠缠角动量的大气湍流效应

分析了von Karman型湍流大气对量子光信道中传输的由参量下转换源生成纠缠轨道角动量态的影响。运用Rytov近似、波相位结构函数的平方近似和修正von Karman折射率起伏谱,研究了完整包含大气湍流引入振幅与位相起伏效应的斜程湍流大气通信信道中单光子纠缠轨道角动量态的测量概率模型,建立了长曝光与短曝光两种曝光条件下斜程湍流大气传输单光子纠缠轨道角动量态的测量概率理论关系。数值研究了天顶角分别为θ=π/6和θ=π/3时的长短或曝光情况下,轨道角动量态纠缠光子对联合概率随着传输距离的变化。数值结果表明：在z〈500m的传输距离内,纠缠光子对的联合检测概率随传输距离增加而快速下降,但传输距离达z〉1000m后联合检测概率几乎不再下降;结果也发现,携带轨道角动量小的纠缠光子对的联合测量概率减少率比携带轨道角动量大的纠缠光子对的联合测量概率的要小;光束传输天顶角越大,联合概率下降幅度越大。     

光束轨道角动量谱的测量技术研究进展（特邀）

自Allen等证明具有螺旋相位波面的激光束携带有轨道角动量以来,对光束轨道角动量调控技术的研究取得了跨越式的发展,获得了包括相位涡旋光束、矢量涡旋光束、激光束阵列等多种新型结构光场,在超大容量光通信、遥感探测、激光加工、高分辨率成像等领域展现出广阔的应用前景。准确测量光束的轨道角动量是其应用的重要基础,早期人们更多地关注对待测光束所包含的轨道角动量成分分布的测量,后来逐步拓展至对各个轨道角动量成分的强度比重即轨道角动量谱的测量。文中系统地回顾并总结近年来光束轨道角动量谱测量技术的发展,主要介绍了包括基于衍射、模式分束等方法的新型光束轨道角动量谱测量技术。     

光轨道角动量分离、成像、传感及微操控应用研究进展

光不仅可以携带自旋角动量,还可以携带轨道角动量。其中,自旋角动量与光波的圆偏振态有关,而轨道角动量来源于光波的螺旋相位结构。自Allen等1992年首次理论确认了光子轨道角动量的物理概念和内涵以来,这类具有特殊螺旋相位波前的新型光场吸引了越来越多的研究兴趣,在经典光学及量子光学领域均展示出了诸多重要的应用前景。本文从基础物理及应用物理两个层面出发,着重介绍了轨道角动量光束的制备与探测技术,特别是近年来轨道角动量调控在螺旋相衬成像技术、远程旋转多普勒效应探测技术及光学微操控技术等领域的研究进展。     

大气斜程传输中高阶贝塞尔高斯光束轨道角动量的研究

大气湍流引起大气折射率随机变化, 导致空间不均匀性。高阶贝塞尔光束在大气湍流中传输时, 空间不均匀性会使光子波函数改变,形成不同的光子态引起轨道角动量的弥散。在Rytov近似下,计算了高阶贝塞尔光束在大气斜程传输中各分量所占光束总能量的权重。讨论并对比折射率结构常数,光束波长,天顶角,轨道角动量数,接收孔径和光斑大小等参数对螺旋谱的影响,并给予相应的物理解释。结果表明:随着折射率结构常数,天顶角和传输距离的增加以及光束波长的减小,螺旋谐波主分量对应的谱减小,轨道角动量弥散越大,而且望远镜接收孔径和光斑大小对轨道角动量弥散的影响非常小。     

基于高效轨道角动量态分离方法的复用系统方案研究

轨道角动量（OAM,orbital angular momentum）态可载荷信息,单个OAM态具有无穷大容量且不同OAM态间相互正交.基于OAM态复用的通信系统成为光通信和量子光学领域的研究热点之一.将高效OAM态分离方法应用于OAM态复用系统中,给出一种高效的OAM态通信复用方案.由于这种OAM态分离方法的特点,新方案可从OAM叠加态中同时解调出复用系统中不同轨道角动量态的载体信息,有效节省了复用系统接收端的解调设备,降低了OAM态复用系统的实现成本.数值仿真结果表明当系统信噪比大于23 dB时,系统误码率可以降至于10-4以下,本方案是一可行的OAM态复用方案.     

斜程湍流大气光通信信道的单光子轨道角动量

研究了基于单光子轨道角动量技术的量子光通信系统的大气湍流效应,动用Rytov近似和修正von Kamm折射率起伏谱,建立了单光子轨道角动量斜程湍流大气通信信道中轨道角动量l的测量概率理论模型。本文同时给出了量子信道的单光子轨道角动量平均值l=〈l〉的计算关系。     

基于光轨道角动量的光通信数据编码研究进展

具有轨道角动量的光束及其应用是目前国内外研究的一个热点方向,随着其应用与发展,也将对光通信领域带来深远的影响.介绍了具有轨道角动量的光束及其应用于光通信数据编码研究的主要进展,讨论了现有的用光轨道角动量进行数据编码的设计方法、工作原理、影响因素、过程机理和描述方法,在此基础上,对应用光轨道角动量实现光通信的研究前景进行了展望.     

基于轨道角动量的自由空间光通信研究与进展

利用光的轨道角动量传递信息可有效提高信息传输的速率。介绍了光轨道角动量的基本概念和主要特性,探讨了基于轨道角动量的自由空间光通信的基本原理和典型系统,并对相关的关键技术进行了分析,在此基础上,对基于轨道角动量的自由空间光通信的应用前景和发展趋势作了展望。     

激光轨道角动量态的湍流倾斜、像散和慧差效应

为了分析斜程大气信道中湍流像差对激光束轨道角动量态的作用,数值研究了湍流z-倾斜像差、湍流像散和湍流慧差对激光束轨道角动量态测量概率的影响,得出了此3种湍流像差随折射率结构常数、传输距离和天顶角起伏影响光束轨道角动量态测量概率的规律。结果表明,随着地面湍流强度增强、信道长度增长和天顶角的增大,湍流z-倾斜像差使激光束原轨道角动量态的测得概率进一步降低,湍流慧差仅在天顶角增大时才出现激光束原轨道角动量态的测得概率进一步降低现象,湍流像散对激光束原轨道角动量态测得概率的影响随此3参量变化时基本不变。     

涡旋光束的自适应光学波前校正技术

涡旋光束是一种具有螺旋波前的光束，其特点是其光强分布为环形，携带有与螺旋波前结构相关的轨道角动量。由于涡旋光束的角量子数可取任意整数，同时不同角量子数的光束之间相互正交，因此可提高光通信系统的信道容量。但涡旋光束在自由空间传输时会受到大气湍流的影响，进而产生波前畸变，因此需要采用自适应波前校正技术对畸变后的光束进行校正。文中对现有的涡旋光束波前校正技术进行了概述，重点介绍了笔者课题组提出的应用GS相位恢复算法和高斯光束探针相结合对涡旋光束波前畸变校正的技术及应用SPGD算法和泽尼克多项式对涡旋光束波前畸变校正的研究工作。