量子电子学报杂志

量子电子学报杂志2022年第2期

• 光的自旋-轨道相互作用

  许文昊,寿一畅,罗海陆

  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。

• 光学轨道角动量复用纠缠源的实验产生及其应用

  徐笑吟,刘胜帅,荆杰泰,∗

  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。

• 轨道角动量光束中的经典光关联及其应用研究

  孙亦凡,陈天,张卓,孔令军,张向东∗

  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。

• 涡旋光场相干调控及拓扑荷测量

  王卓异,曾军,张浩,卢兴园,赵承良∗,蔡阳健,∗

  涡旋光场是一类具有螺旋型波前的特殊结构光场, 因其携带相位奇点、轨道角动量以及拥有中央暗核结构等物理特性, 被广泛应用于光学微操纵、大容量光通信、超分辨成像等领域。通过对涡旋光场传统的物理维度(振幅、偏振、频率) 进行调控, 可以得到模式更加丰富、应用领域更广泛的新型涡旋光场。此外, 涡旋光场还有一个非常重要的调控维度, 即相干性。近年来, 研究人员通过对涡旋光场的相干性进行调控得到了一类新型涡旋光场, 即部分相干涡旋光场。相比于完全相干涡旋光场, 部分相干涡旋光场在某些领域更具优势, 如具有较高的抗湍流大气干扰性、更丰富的光束整形、更高的自修复能力和更强的微粒捕获能力等。本综述介绍了近年来整数阶和分数阶涡旋光场相干性调控方面的研究进展, 重点对部分相干涡旋光场的理论模型、产生方法、传输特性、拓扑荷测量、应用等方面进行了详细阐述。

• 基于微纳结构的光子轨道角动量复用及检测进展

  欧阳旭,张明偲,杨清帅,曹耀宇,徐毅,李向平

  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。

• 基于光学衍射神经网络的完美涡旋光 轨道角动量识别

  成科,胡晓楠,贺瑜,孟维佳,栾海涛,顾敏,方心远,

  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。

• 基于光子轨道角动量的手性测量方法

  胡海峰,詹其文∗

  传统光学手性测量是基于物质结构对左旋和右旋圆偏振光响应的差异实现的, 而光的圆偏振状态对应光子自旋角动量(SAM) 状态。光子轨道角动量(OAM) 的发现为光子状态扩展了新的自由度, 在手性测量领域引入光子OAM 态有助于探索新的物质手性测量方法。从光子SAM、OAM 以及光学手性的基本概念入手, 综述了近年来国内外基于光子OAM 的手性测量方法。现有的研究结果表明, 通过引入光子OAM 态可以增强传统圆二色谱的测量。另一方面, 基于光子自旋-轨道耦合效应或光场与分子电四极矩的高阶相互作用, 手性信号可以通过直接改变光子OAM 量子数的符号进行测量。此外, 高阶光子OAM 态可用于提高尺寸较大的颗粒的手性响应。最后讨论了光场时空涡旋调控技术的最新进展并展望了其未来在手性测量中的潜在应用。

• 用旋转多普勒方法解析矢量涡旋光的偏振特征

  贾俊亮,张笑儒,赵子丹,张沛,∗

  矢量涡旋光在光学微操控和光通信领域均具有独特优势。旋转多普勒效应常应用于涡旋光拓扑荷的研究, 分析矢量涡旋光的旋转多普勒效应可以有效导出其丰富的偏振性质。提出了一种基于旋转多普勒效应分辨矢量涡旋光偏振旋转方向的方法, 对应于矢量涡旋光符号的识别。在所提出方法中, 矢量光经过旋转物体散射,散射光由于多普勒效应, 各组分之间产生强度随时间周期性变化的拍频信号。拍频信号变化函数的相位取决于矢量涡旋在高阶庞加莱球上的代表点的赤道角, 相位变化率取决于涡旋光拓扑荷。本工作提出测量理论并通过实验验证了涡旋方向相反的两种矢量光的拍频信号, 为矢量涡旋光拓扑荷的符号测量提供了一种新的可行方法。