采用深度学习校正畸变涡旋光束的方法综述(特邀)

涡旋光束是一种携带轨道角动量的新型结构光场,在超大容量光通信、遥感探测等领域有着广阔的应用前景。涡旋光束在大气等非均匀介质中传输时会产生波前畸变,使得其携带的轨道角动量发生改变,对实际应用产生不利影响,因此需要引入自适应光学波前校正技术对其进行畸变校正。综述了近年来国内外学者在涡旋光束自适应畸变校正方面的研究进展,首先简要介绍了当前较为成熟的涡旋光束畸变校正技术,包括高斯光束探针与波前传感相结合、相位恢复算法与面阵探测技术相结合等技术方案;然后着重介绍了基于深度学习的新型涡旋光束畸变校正技术,包括泽尼克多项式系数反演、湍流相位屏反演等,同时讨论了将深度学习用于涡旋光束畸变校正的优势及局限性;最后展望了涡旋光束自适应畸变校正技术的发展趋势。     

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。     

矢量涡旋光束的表征及腔内生成技术北大核心CSCD

矢量涡旋光束是一种新型的结构光场,具有螺旋相位和横截面各向异性偏振分布,在光镊、旋转体探测、光通信、高分辨率成像、量子信息等领域展现出广泛的应用前景。随着研究的不断深入,对矢量涡旋光束的复杂光场模式分布要求越来越高,给矢量涡旋光束的生成技术带来了巨大的挑战。此外,如何更加实用且有效地完备表征矢量涡旋光束的模场分布、模式特性亦是其应用的重要基础。本研究团队长期从事包括矢量涡旋光束在内的结构光场调控及应用技术研究,提出了多种输出模式连续可调的矢量涡旋光束腔外、腔内生成技术。介绍了近年来本课题组在矢量涡旋光束的表征和腔内生成方面的主要工作,包括矢量涡旋光束总角动量态的四参量表征法、激光谐振腔内横纵模调控技术等,并在此基础上报道了人眼安全波段全固态矢量涡旋光束激光器。     

基于深度学习技术从散斑场中识别多多涡旋结构的轨道角动量

涡旋光束的轨道角动量(OAM)可用于信息的编码,因此在自由空间光通讯等领域具有重要的应用价值。然而,实际的传输空间通常存在着各种随机介质,会造成传输涡旋光束的波面畸变,导致传统的方法无法准确测量涡旋光束的轨道角动量。针对此问题,以毛玻璃作为随机介质,基于深度学习技术,从涡旋光束经过毛玻璃所产生的散斑场中准确识别出了涡旋光束的轨道角动量。进一步,为提升光信息的编码与传输能力,还测试了多涡旋结构光束的轨道角动量识别。测试结果表明,对于五个涡旋结构的光束,所设计的网络也能从单帧散斑图中准确识别其轨道角动量。     

矢量涡旋光束经光阑-透镜系统的OAM与偏振特性

与标量涡旋光束不同,矢量涡旋光束同时具有各项异性的空间偏振分布和螺旋相位分布,并携带与相位分布有关的轨道角动量(Orbital angular momentum,OAM)。根据柯林斯衍射积分理论,得到了傍轴近似条件下矢量涡旋光束的OAM密度,实验采集了矢量涡旋光束通过光阑-透镜系统后的光场,详细讨论了光阑截断参数以及光阑-透镜间距等参数对矢量涡旋光场及其OAM密度的影响。结果表明:相比标量涡旋光束,矢量涡旋光束OAM通过光阑系统后随传输距离的衰减更慢,受光阑截断参数影响更小。矢量涡旋光束偏振态不受光阑-透镜系统影响,截断参数大于4.2时,轨道角动量密度和光强不受截断参数影响。在透镜焦点位置处,OAM密度达到最大值。研究结果为矢量涡旋光束OAM特性的应用提供理论依据。     

涡旋光束旁瓣抑制的研究进展

涡旋光束是一种具有螺旋型波前和光学轨道角动量的特殊光场,这种特性使其在光学微操纵、光学成像以及自由空间光通信等领域中具有广阔的应用前景.本文以螺旋相位板所产生的涡旋光束为基础,简要介绍了涡旋光束光强分布的特点,总结分析了目前几种涡旋光束旁瓣抑制方法的原理与特点,并就国内外的研究现状和应用前景进行了总结与展望.     

基于深度学习的复合贝塞尔高斯光束大气湍流效应补偿

相位失真是实现涡旋光束轨道角动量复用技术实际应用的主要挑战之一。本文提出了一种基于深度学习的复合贝塞尔高斯涡旋光束大气湍流效应补偿方法,以提高模态分离与检测准确度。设计的网络通过学习不同轨道角动量下畸变光束强度分布与湍流相位之间的映射关系,具备了适应未知湍流环境的泛化能力,可以有效地预测等效湍流相位屏。仿真结果表明,复合贝塞尔高斯光束在不同湍流强度下传输1000 m并经过相位补偿后,光强相关系数可提高至0.97以上;在强湍流下传输1500 m并经相位补偿后,拓扑荷数为10的模式纯度从2.43%提高至64.07%。该方法对畸变光束具有更强的特征提取能力,在快速准确预测等效湍流相位屏方面具有良好的泛化能力,有助于提高未来轨道角动量复用技术的可靠性。     

刀口法测量拉盖尔-高斯涡旋光斑的理论与实验研究

拉盖尔-高斯(LG0l)涡旋光束携带光轨道角动量,提供了额外复用自由度,可以极大提高光通信容量,实现该涡旋光束光斑半径的精确测量对其应用具有重要意义.刀口法由于廉价、方便、精度高、适用于较大功率的测量等优势,是测量光斑尺寸及束腰尺寸的理想方法.然而,以往刀口法的研究主要集中在基横模高斯光束上,尚缺少关于刀口法对LG0l涡旋光斑的测量研究.本文对基于刀口法的LG0l涡旋光斑尺寸测量进行了详细地理论分析和实验研究.理论分析中给出了刀口法测量LG0l涡旋光束的原理;实验上将螺旋相位板对基模高斯光束调制后产生的光束当作LG0l涡旋光束的近似,并采用刀口法测量了该LG0l(l=0,1和2)涡旋光的光斑;借助Mathematica程序数值拟合了实验测量的横向光场强度分布结果,得到了不同LG0l涡旋光束的光斑半径.根据光斑半径的特点可得出:经低涡旋阶数的螺旋相位板调制之后,基模高斯光束可变为相应涡旋阶数的LG0l涡旋光束,变换前后光斑半径基本保持不变.     

杨氏双缝干涉实验测量涡旋光束的轨道角动量

研究了平面波经过螺线型相位板后产生的涡旋光束,经双缝干涉后在干涉场中干涉条纹的分布情况。详细介绍了涡旋光束的拓扑荷数对干涉条纹分布的影响。发现同平面波的竖直干涉条纹相比较,涡旋光束的干涉条纹,从顶部向底部看去,沿着横向出现移动,并且移动的大小和方向与拓扑荷数的取值有关。通过观测干涉条纹,可以得到涡旋光束的拓扑荷数。涡旋光束由于携带轨道角动量可应用于新型的光信息编码与传输,研究结果可望在这种新型的光信息编码与传输中得到应用。     

新颖旋转涡旋光束的传输特性研究

正涡旋光束的相位分布具有螺线形,其相位因子为exp(imθ),光束中的每个光子携带m的轨道角动量,其中m称为拓扑荷数、从傍轴波动方程出发,一是推导出一种新颖旋转涡旋光束的解析解,解析结果表明,该旋转涡旋光束在传输过程中旋转,而且该新颖旋转涡旋光束的光斑像"X"形状、二是数值模拟傍轴波动方程。三是采用计算全息和空间光调制器的技术在实验中观察了不同传输距离处的光斑。通过以上研究表明,新颖旋转涡旋光束的解析结果、数值结果与实验结果吻合较好。此外,通过实验还测量了不同分布因子对光斑结构的影响,从而验证了新颖旋转涡旋光束的旋转以及保持"X"形状的特性。研究结果进一步完善了旋转涡旋光束,为实现新型奇特光束提供了科学的理论和实验依据、     

拉盖尔-高斯波束在弱湍流海洋中轨道角动量传输特性变化

瑞托夫近似方法被用于分析研究弱湍流对海水环境中拉盖尔-高斯(Laguerre-Gaussian, LG)波束轨道角动量模式探测概率、串音概率以及螺旋谱分布的影响.结果表明:海洋湍流对轨道角动量的影响明显强于大气湍流, 海水环境中LG波束信号轨道角动量模式有效传输距离只有几十米;海洋湍流明显导致信号轨道角动量模式探测概率下降, 轨道角动量模式串音变强, 螺旋谱严重扩展;海洋湍流的影响随着轨道角动量角向模式、径向模式增加, 以及发射波长减小而增强.虽然较长的波长能降低海洋湍流影响, 但考虑到海水的散射和吸收作用, 蓝绿波长仍然是最佳选择.     

大气湍流对拉盖尔-高斯光束传播质量的影响

为了从系统的角度研究大气湍流对涡旋光束传播 质量的影响,根据广义惠更斯-菲涅尔积分和Kolmogorov湍流大气原理,利 用傅里叶光学分析方法和光束分步传播法对携带有轨道角动量(OAM)的 拉盖尔-高斯(LG)光束在湍流大气中的传播进行理论分析与数值仿真, 导出角谱形式的衍射模型及其对应的抽样限制条件。利用桶中功率(PIB,power in bucket)计算方法,分析湍流强度对不同OAM值的LG光束质量的 影响;引入高斯光束和点光源,对比评估典型光束的抗湍流能力。数值仿真结果表明:受大 气湍流影响,随着LG光束在湍流大气 中传播距离增加,光束会聚能力变弱有明显扩散;光束本身特有的环状光强分布及其相应的 相位分布都受到不同程度的破坏,损伤 程度与光束本身携带的OAM数有关;点光源对湍流的影响最为敏 感;高斯光束具有与小OAM值的LG光束相比拟的抗 湍流能力,且比大OAM数的LG光束有更强的抗湍流能力。     

光束轨道角动量的量子通信编码方法研究

高阶Bessel无衍射光束具有轨道角动量,并且是在自由空间中传播时一定范围内横向强度分布保持不变的单色光场,光场中的每个光子都具有确定的轨道角动量 ,在每一本征模中由光量子携带的角动量数由拓扑荷 表示,本征态 可被用于多维量子纠缠。文中基于高阶Bessel光束,提出一种利用具轨道角动量光子正交态作为信息载体实现光通信的方法,每光子携带有确定的轨道角动量态,可以提高通信协议的密钥生成效率,也为增加光通信距离提供一种量子解决方案。     

透镜球差对拉盖尔-高斯涡旋光束聚焦特性的影响及改善方法

涡旋光场调控对涡旋光在激光通信、生物操控等领域的应用研究具有重要意义。为了揭示透镜球差对拉盖尔-高斯(Laguerre-Gaussian,LG)涡旋光束传输特性的影响,本文基于菲涅尔衍射理论,模拟研究了不同透镜球差系数下的LG光束聚焦场的强度、相位以及螺旋谱分布。结果表明:光学系统初级球差系数的增大恶化了LG光束聚焦场的强度分布和螺旋相位,弥散了轨道角动量(orbital angular momentum,OAM) 。由此,本文提出了一种光阑补偿方案,通过在透镜前添加大小合适的圆孔光阑,以消除透镜像差。光阑补偿后的LG光束聚焦场由星芒状空心分布恢复为空心圆环分布,OAM态保持单一稳定。本研究工作为改善透镜像差对涡旋光的传输影响提供了解决方案。     

大气湍流信道中OAM光束与高斯光束传输性能的实验研究

通过实验研究了大气湍流信道下中轨道角动量（OAM）光束与高斯光束的传输性能,并将两种光束的传输性能进行对比。实验以加载调制信号的OAM光束以及高斯光束为传输载波,分别测量了在大气湍流信道下两种光束的光束展宽、指向偏差、功率抖动以及误码率。实验结果表明:在大气湍流信道中传输后,OAM光束相比高斯光束,光束展宽减少10.5%,功率抖动的方差下降0.13,指向偏差的散布圆直径减小30.4%,并且光束中心更集中于接收面中心;OAM光束载波系统的最低探测灵敏度达到?28.97 dBm,相比高斯光束提升2.5 dB。实验结果证明了在大气湍流信道传输中,OAM光束比高斯光束受到湍流的影响更小,并且随着湍流强度的增加,OAM光束恶化程度远小于高斯光束。实验的结论为大气湍流信道下自由空间激光通信的发展和应用提供了参考。     

斜程湍流大气中矢量涡旋光束的OAM特性研究

基于螺旋谱理论推导出矢量涡旋光束在斜程大气湍流传输中的轨道角动量(orbital angularmomentum,OAM)谱,讨论了修正Kolmogorov大气湍流对不同阶矢量涡旋光束光场分布及光束OAM谱的影响。利用旋转毛玻璃作为随机相位屏,实验采集了矢量涡旋光束通过旋转毛玻璃后的光强图像与归一化强度。结果表明:经大气湍流斜程传输后,矢量涡旋光束的光强分布产生畸变且OAM谱发生弥散,OAM谱弥散程度随传输距离的增大而增大。传输距离不变时,天顶角越大,主OAM模相对功率越小,湍流内尺度减小与折射率结构常数增大均会导致主OAM模相对功率减小。同一传输路径下,随着湍流强度的增大,矢量涡旋光束中心相位奇点的强度逐渐增大,并且拓扑荷不变时,偏振阶数高的矢量涡旋光束受到的湍流影响较小。     

Production of electron vortex beams carrying large orbital angular momentum using spiral zone plates

We report the production of electron vortex beams carrying large orbital angular momentum (OAM) using micro-fabricated spiral zone plates. A series of the spherical waves, focussing onto different positions along the propagating direction of the electron beam, were observed. The nth order vortex beam has an OAM n times larger than that of the first-order vortex beam. We observed an electron vortex with an OAM up to in a high-order diffracted wave. A linear dependence of the diameter of the vortex beam on the OAM was observed, being consistent to numerical simulations.     

轨道角动量在无线通信中的研究新进展综述

随着无线通信技术的蓬勃发展,频谱利用率和系统容量已经趋近香农极限.轨道角动量作为一项新型技术,拥有高效频谱利用率和抗干扰能力,引起了国内外学术界的关注.本文首先介绍了轨道角动量的应用与无线通信系统的基本原理;其次综述了轨道角动量在相关领域的研究进展,并对轨道角动量产生的关键技术进行深入分析,以及对现有的轨道角动量接收方法进行梳理总结;最后在目前已有研究的基础上,展望并提出了未来轨道角动量在无线通信研究及应用中需要重点解决和关注的一些突出问题,包括携带轨道角动量涡旋电磁波的产生,不同模态轨道角动量电磁波相互干扰的抑制,轨道角动量模态的编码方式以及不同模态涡旋电磁波的分离与检测等方面.     

基于多环结构的八模态涡旋波微带天线

介绍了一种多模态涡旋电磁波单元天线设计方法.利用四个同心短路圆环微带贴片产生八模态的涡旋电磁波波束.该单元天线结构简单,尺寸小.仿真与实验结果表明,八个模态（l=±1,±2,±3,±4）均拥有良好的涡旋相位特性,相应阶数的单元增益分别为4.8 dBi,4.1 dBi,5.1 dBi,5.3 dBi,各模态的阻抗带宽均大于100 MHz.该天线为多模涡旋电磁波应用提供了一种新的可能.