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。     

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。     

基于光取向液晶叉型光栅的涡旋光产生器北大核心CSCD

具有螺旋相位的涡旋光因其坡印廷矢量绕轴旋转而携带光子轨道角动量,其产生和变换也伴随着轨道角动量的变化。光子轨道角动量在经典光学与量子信息领域均受到强烈的关注。目前已开发出一系列轨道角动量加载和调制的成熟方法,光取向液晶叉型光栅就是其中重要一类。光取向技术适用于液晶微结构的高分辨灵活制备,极大地提升了涡旋光及其阵列的产生与调制能力。综述了光取向液晶叉型光栅在涡旋光场产生与调制方面的相关研究,具体介绍了二元与偏振叉形光栅、达曼叉形光栅、具有螺旋结构的达曼叉形光栅在涡旋光场产生及其阵列化和宽带应用方面的最新进展。     

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。     

光的自旋和轨道角动量

光具有由偏振性决定的自旋角动量(SAM)和由光场空间分布决定的轨道角动量(OAM)两种不同的物理性质。重点对光的自旋和轨道角动量在光束生成和变换性质、存在形式和描述方法、力学效应、空间相干性和时间相干性、角向多普勒频移效应及参量转换与量子纠缠等方面进行对比,探索它们的现象学差别,以期更好地理解光的本性,为该领域的研究提供启发和拓展思路。总结和分析了轨道角动量的最新研究成果,并展望了该领域的最新研究动态。     

轨道角动量光束非线性转换研究进展北大核心CSCD

轨道角动量(OAM)是光的一个重要的自由度。由于携带OAM的光束具有特殊的强度相位分布以及力学效应,使得此类光束在高速光通信、测量、成像、光镊和量子信息中具有广泛的应用。关于OAM光束在准相位匹配晶体(QPM)中的频率变换研究,一方面可以研究OAM光束参与非线性相互作用时与高斯光束不同的物理机制;另一方面,非线性过程提供了多种有效的光场调控手段,可以实现携带OAM光场不同自由度的精细调控,为满足不同的光学应用奠定基础。综述了近十年来OAM光束在QPM晶体中的非线性转换研究主要进展,具体包括:非线性过程中OAM光束的守恒、传输、演化和干涉行为研究,高效率的OAM激光和单光子态频率转换研究,OAM频率转换效率模式非依赖性研究,矢量光束的频率转换研究,以及无后向选择的高维OAM纠缠态的制备研究。最后讨论和展望了OAM在QPM晶体中频率转换方面的未来研究趋势。     

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。     

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。     

涡旋光束的几何坐标变换技术及应用研究进展（特邀）

涡旋光场因其具有光学轨道角动量（Orbital angular momentum, OAM）而倍受关注。OAM这一独特物理特征赋予了涡旋光场一个无限高维的空间自由度,同时也引发了光场奇特的干涉、衍射、传输等性质。OAM识别和探测技术的发展是涡旋光从基础研究走向应用的关键。文中聚焦于OAM探测领域的一个重点研究方向——涡旋光几何坐标变换技术。详细介绍了该技术的基本原理、优势特点、研究进展和应用情况。涡旋光几何坐标变换是指通过特殊的调制相位设计,使涡旋光束的空间几何结构发生特殊的变化,从而可通过简单透镜聚焦等方法实现OAM模式的识别、分选等。相较于传统的涡旋光识别和探测技术,涡旋光的几何坐标变换这一新兴技术具有器件无源、无能量损耗、结构紧凑、价格低廉等突出优势,成为涡旋光的空间分离和解复用的高效有力工具,为涡旋光束在经典/量子态密度测量、OAM乘除法器、经典光通信和量子纠缠等前沿应用提供了全新的研究平台,蕴含巨大的发展潜力,具有广阔的发展空间。     

近轴圆对称光束的角动量及其应用

本文简单介绍了光场角动量的基本定义与概念，各类圆对称光束的角动量。同时，光束角动量能通过π／2模式转换器产生，由此修正光束的位相结构。光的吸收可以同时导致光束的自旋角动量或轨道角动量转移给微米粒子，就像光学镊子一样引起粒子的转动，从而形成光学扳手。另外，简单介绍了圆对称光束作为光学镊子和光学扳手在微米粒子和生物细胞的光学导引、囚禁与操控等领域中的应用。     

复杂涡旋结构光场的产生方法

涡旋光是一种携带轨道角动量、相位面呈螺旋状分布的新型结构光场,在量子纠缠、量子通信、光学微操控等领域已经获得了广泛应用。随着研究的深入,具有比传统涡旋光更复杂的拓扑结构、相位奇点、轨道角动量和偏振奇点的结构光场的产生,吸引了众多研究人员的兴趣。从固体激光腔内直接激发产生空间结构光和腔外调控得到空间结构光出发,分别介绍了离轴泵浦加像散转换、调制元件调制波形、泵浦整形三种腔内方法,以及空间光调制器光场定制、模式叠加、超构表面微结构设计的三种腔外方法,并分析比较了几种方法的优缺点,展望了未来空间涡旋结构光场的发展趋势。     

具有轨道角动量的空间光孤子的研究进展

介绍了具有轨道角动量的空间光孤子的研究进展,包括两个方面的内容:具有轨道角动量的椭圆形光束可以在各向同性介质中以孤子状态稳定传输;具有轨道角动量的光强旋转型孤子在传输材料、光束模式和光束起转方式方面的研究进展.     

涡旋光束轨道角动量干涉及检测的研究

分析了涡旋光与平面波的干涉现象,利用涡旋光共轴叠加干涉生成携带双态轨道角动量的光,并将其应用于轨道角动量拓扑荷数的检测。利用叉形错位光栅制备呈中心对称的涡旋光束,并讨论了在不同拓扑荷数情况下,利用两束涡旋光束干涉制备双态轨道角动量光束。数值模拟和实验结果表明,随着拓扑荷数的数值及正负的变化,两束涡旋光束干涉叠加后其干涉图像发生规律性的变化,据此可检测涡旋光束。涡旋光束在信息传输及编码方面具有重要意义,此研究为其在自由空间通信中的复用提供了实验依据,也为光通信系统的性能改善提供了可能。     

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。     

光的自旋-轨道相互作用北大核心CSCD

光的自旋-轨道相互作用是指光的自旋角动量和轨道角动量之间的相互作用,它存在于反射、折射、散射、衍射、聚焦等基本的光学过程中。在传统大尺度量级的经典光学中可以忽略自旋-轨道相互作用的影响,但在亚波长尺度下,自旋和轨道角动量之间会发生强耦合。对光的自旋-轨道相互作用的基本起源和重要应用进行了综述。首先,介绍了光的自旋-轨道相互作用的两个重要基本概念:光子角动量和几何相位理论。其次,分别介绍了自旋-内禀轨道角动量和自旋-外禀轨道角动量两种相互作用的基本原理。然后,重点介绍了光自旋-轨道相互作用的研究进展以及代表性应用。最后,对光自旋-轨道相互作用相关研究面临的挑战和未来的研究方向进行了展望。     

微环谐振腔中点光源产生轨道角动量的特性北大核心CSCD

提升量子光源在量子信息处理方面的编码容量是量子技术发展亟需解决的问题。轨道角动量作为光子一个独特的自由度,其空间模式分布会形成无限维完备的希尔伯特空间正交解,因此利用光子的轨道角动量进行编码可以极大地提高信息处理的容量,是高维量子信息处理的重要资源。具有二能级系统的量子光源可以等效成点光源,在微纳尺度下对量子光源进行调制产生轨道角动量是拓展片上集成量子光源编码维度的有效方法之一。主要探讨了点光源在微环谐振腔中产生轨道角动量叠加态的特性。首先介绍了角向光栅对微环谐振腔中点光源产生轨道角动量的调制机理;然后研究了微环谐振腔的腔量子电动力学效应对点光源辐射子的辐射速率和收集效率的影响,并对单光子纯度进行了分析;最后研究了点光源产生轨道角动量叠加态的电场分布、相位分布及矢量偏振特性,不仅分析了微环谐振腔中不同位置的点光源对腔模及轨道角动量的影响,还对出射轨道角动量叠加态的纯度进行了详细分析。该研究为集成轨道角动量光量子器件的发展提供了有效的方法,对进一步了解微纳尺度下产生轨道角动量的机理和性质有良好的促进作用。     

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.     

部分相干径向偏振涡旋光焦场轨道角动量特性

将部分相干径向偏振涡旋光束的轨道角动量应用于焦场目标探测,根据部分相干及Richards-Wolf矢量衍射积分理论,推导了光束焦场目标平面处的光场分布,讨论了焦平面处的轨道角动量密度分布特性,分析了入射光束的相干长度和聚焦透镜的数值孔径对纵向分量轨道角动量密度分布和轨道角动量的影响。结果表明,随着相干长度的增大,轨道角动量和轨道角动量密度迅速变大,当增大至0.5 cm后,轨道角动量和轨道角动量密度的变化趋于平缓,此后,相干长度的变化不再影响轨道角动量和轨道角动量密度分布。随着数值孔径的增大,轨道角动量和轨道角动量密度始终表现出增长的变化趋势,并且,变化程度在数值孔径大于0.7后越来越大。     

非简并κ光子J-C模型中光场的量子统计特性

考虑双模纠缠相干光场,将其中一束光注入一个存在二能级原子的腔中并与它们发生非共振k光子相互作用,总系统在腔量子电动力学演化过程中,对原子作选择性的测量,通过操纵相互作用时间以及选择适当的光场参量,控制未参加相互作用光场的量子统计性质,在一定条件下可产生反聚束、压缩态等非经典光场,并改变其非经典效应的强弱.这样,利用相干光场之间的纠缠关联,并通过非共振多光子腔QED技术,有效地实现了无直接量子测量的控制和改变相干光场的非经典性质的目的.     

光非经典性质的确切判据

1905年爱因斯坦提出光的量子理论成功地解释了光电效应以后,光的量子性质,尤其是真空光场的量子性质并未得到唯一的判据。在六十年代,Mandle、Sudarsan、Wolf、Lamb、Scully等人用经典光场同样成功地解释了光电效应的许多实验。Claude Cohen-Tannoudji明确指出,光和原子的相互作用,只要真空态涨落不给出明显的观察效应,都可以放在半经典理论的框架中去处理。光场的非经典性质是1977年Kimble等实验证实反聚束效应以后才得到普遍的公认。