“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。     

聚焦场自旋-轨道角动量相互作用的研究进展北大核心CSCD

光同时具有自旋和轨道角动量属性,它们分别与光的偏振和相位分布相关。在傍轴条件下,光的自旋和轨道角动量在自由空间传输过程中是相互独立且各自守恒的。而在非傍轴条件下,如紧聚焦或者散射光场中,光的自旋与轨道角动量之间会发生相互耦合和转化。其中,紧聚焦场中自旋与轨道角动量的相互作用由于广泛涉及光学捕获、显微和探测等应用领域,近年来受到广泛关注。综述了紧聚焦场中自旋、轨道角动量理论计算方法,自旋-轨道角动量相互作用与入射结构光场的关系以及最新的相关应用研究进展。     

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。     

光学轨道角动量复用纠缠源的实验产生及其应用北大核心CSCD

光既可以携带自旋角动量,也可以携带轨道角动量。自1992年由Allen等提出光学轨道角动量的基本概念以来,光学轨道角动量已吸引了越来越多学者的研究兴趣。光学轨道角动量具有无限带宽以及不同模式相互正交等特点,这使得通过光学轨道角动量来传递信息变成一项十分有前景的技术。在概述光学轨道角动量基本概念的基础上,重点综述了在连续变量系统中利用四波混频过程制备光学轨道角动量复用的纠缠源,包括13对复用的连续变量纠缠确定性产生、9组光学轨道角动量复用的三组份纠缠的制备、基于66个光学轨道角动量模式的大规模量子网络的实现,以及光学轨道角动量复用纠缠源的最新应用,包括利用光学轨道角动量复用的连续变量纠缠实现9通道全光量子隐形传态以及光学轨道角动量复用型量子密集编码。     

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。     

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。     

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。     

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。     

惰性气体核的自旋交换光抽运中的物理

核自旋极化的惰性气体原子在诸如核物理、材料科学和磁共振成像等许多领域中都有着广泛的应用,核自旋极化技术涉及领域很广,包括原子、分子和光学物理等等。评述了光抽运和自旋交换碰撞中角动量转移和损失的物理。     

基于微纳结构的光子轨道角动量复用及检测进展北大核心CSCD

1992年Allen等认识到光子可以携带轨道角动量(OAM),其表现为波前的螺旋相位分布。由于其独特的光场分布以及其拓扑荷理论上可取任意整数等特性, OAM光束在超分辨成像、高密度数据编码等领域具有重要作用。对微纳尺度下OAM光束与物质相互作用新机制的研究,有望为现代光子器件以及多维光与物质相互作用等领域提供新的思路和方法。介绍了本课题组利用OAM光束在纳米结构上实现多维信息复用以及OAM光束拓扑荷的探测技术,并对纳米尺度OAM光束的应用进行了展望。     

气体高次谐波产生中的角动量守恒

随着激光技术的迅猛发展，超快光学已经成为现代物理学研究中一个非常重要的前沿领域。高次谐波作为产生超短激光脉冲的重要手段之一，在近十年内快速发展。本文综述了气体高次谐波产生过程中存在的自旋角动量守恒、轨道角动量守恒、自旋-轨道相互作用以及由此引出的新奇物理现象，总结了现阶段研究所存在的部分空白与挑战。将结构光场应用于高次谐波领域极大地丰富了人们研究光与物质相互作用的手段，为光学操控和强场物理带来了新的机遇。     

热光非定域螺旋相衬成像（特邀）

边缘增强作为一种图像处理技术,对于研究物体边界信息有着重要的应用。根据热光鬼成像的关联机制,将鬼成像与螺旋相衬成像技术相结合,把相位物体与涡旋滤光器非定域地放在热光鬼成像系统的探测光路和参考光路中,建立了相位物体边缘增强识别系统。实验结果表明,采用具有分数阶轨道角动量拓扑荷的涡旋滤波器可以实现轨道角动量值在0~1范围内的相位物体的边缘渐变性增强效果。随着轨道角动量拓扑荷数的增加,相位物体的边缘增强效果会越明显。非定域螺旋相衬成像相较于传统的螺旋相衬成像方案,突破了被测物体和涡旋滤波器在同一光路,并且滤波器必须放置在频谱面的空间局域性限制,解除了对主动照明光源相干性的要求,增强了涡旋滤波相衬成像系统的泛化能力。     

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.     

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。     

利用超表面的涡旋光束产生进展（特邀）

涡旋光束因为携带轨道角动量,在光通信、粒子操纵及量子信息等领域都具有重要的应用前景。目前有很多方法可用于产生涡旋光束,如利用螺旋相位板、模式转换、空间光调制器等。然而,传统的方法需要搭建体积相对较大的光学系统,限制了其在集成光学等领域中的应用。不同于传统方法中通过传输效应来获得相位变化,超表面可以通过纳米结构使入射光产生相位突变,在纳米尺度上独立控制动态或几何相位以产生涡旋。超表面具有强大光控制能力的同时,还具有体积小、易于集成等特点,因此成为了产生涡旋光的理想方法。文中在介绍产生涡旋光束基本原理的基础上,回顾了近年来利用超表面产生涡旋光束的研究进展。首先介绍了利用动力学相位、Pancharatnam-Berry (P-B)相位以及混合相位产生光学涡旋的方法。随后,对利用全息与编码超表面产生涡旋及通过多路复用产生多个涡旋等不同方法进行了综述。最后,对基于超表面产生涡旋的一些亟待解决的问题和应用前景作了简单总结与讨论。     

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。     

光子轨道角动量的量子操控与应用

光子轨道角动量具有光学涡旋结构和高维特性,在经典和量子领域都展示出巨大的应用潜力。基于本课题组的研究工作,综述了如何在实验上实现高维量子逻辑门,如三比特的Toffoli门和Fredkin门等,以及利用偏振和轨道角动量的超纠缠特性对不同模式的振幅和相位进行调制。进一步介绍了深度学习算法在坐标系未校准条件下进行光子轨道角动量模式精确识别的应用研究。此外,还介绍了利用量子隐形传态技术实现不同光学自由度间量子态传输以及四维光子轨道角动量贝尔态的制备方案。     

基于光学衍射神经网络的完美涡旋光轨道角动量识别北大核心CSCD

完美涡旋光束(POVB)是径向强度分布和半径均与光束轨道角动量(OAM)状态无关的一类涡旋光,已被应用于光学操控、光通信、激光材料处理等领域。其中, POVB轨道角动量状态的探测是关键且有挑战的技术。本研究通过并行梯度下降算法,构建了光学衍射神经网络(DNN),实验上实现了轨道角动量阶数在-50~+50范围内的POVB的识别。在此过程中,衍射转换效率可达58%。本研究为POVB的OAM探测提供了新的思路,在POVB的各类应用中均存在潜在应用价值。     

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.     

基于涡旋电磁波的雷达应用研究进展

携带轨道角动量的涡旋电磁波,相比于传统平面波有着独特的螺旋相位结构与模态正交特性,因而能获取更多信息,在雷达探测中受到广泛关注。轨道角动量调制带来的升维信息为新体制雷达成像提供了条件;另外,利用涡旋电磁波观测到的旋转多普勒效应,可获得平面波难以探测的垂直于距离向的运动信息,弥补了平面波雷达探测的缺陷。文中首先介绍了涡旋电磁波的基本概念、特点及常见的产生方法;然后,介绍了基于均匀圆阵的涡旋电磁波成像基本原理,简单推导了利用涡旋波进行旋转多普勒检测的基本原理,梳理了涡旋波在雷达成像和旋转多普勒检测两个应用领域的研究进展;最后,对未来的研究趋势进行了展望。