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。     

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。     

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。     

轨道角动量纠缠光子对联合探测概率的研究

研究了自发参量下转换过程产生的轨道角动量纠缠光子对的联合探测概率,在忽略光子的偏振和晶体为薄晶体的情况下推导出轨道角动量纠缠光子对的联合探测概率的表达式。研究表明：自发参量下转换过程中抽运光、信号光以及空闲光的参数（束腰、轨道角动量和径向指数）的大小决定着纠缠光子的联合探测概率。     

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。