Advanced Photonics Nexus 2024年第5期论文：
光学轨道角动量（orbital angular momentum, OAM）是光场的一个重要基本属性，携带轨道角动量的光束被称为涡旋光束，它在光学微操纵、超分辨率成像和光通信等多个领域中具有广泛的应用潜力。光束中每一个光子携带的轨道角动量量值由拓扑荷数标记，拓扑荷数既可以是整数，也可以是分数。在早期研究中，研究的对象通常是拓扑荷数为整数的本征涡旋光束。近年来，拓扑荷数为分数的分数涡旋光束也逐渐引起研究者们的关注。分数涡旋光束具有与本征涡旋光束不同的新颖特性，有望进一步扩大涡旋光束的应用范围，并实现一些独特的功能。模式分类器能够有效分类不同涡旋模式，是涡旋光束应用的核心。然而，由于分数涡旋模式不是本征模式，现有的涡旋模式分类方法并不适用于分数涡旋模式的分类，这限制了分数涡旋模式在许多场景中的应用。
针对以上问题，上海交通大学陈险峰教授、刘海港助理研究员团队基于坐标变换方法，首次实现了对分数涡旋模式的有效分类。本研究首先利用坐标变换将分数涡旋光束转化为整数涡旋光束，接着再利用传统的整数涡旋光束分类方法实现有效分类。实验证明，分类获得的分数涡旋模式的模式纯度超过了86%。该研究为分数拓扑荷涡旋光束的分类提供了一种崭新的技术途径，有望促进基于分数拓扑荷涡旋光束在高容量、高保密光通信和光存储系统中的应用。该成果以“Effective sorting of fractional optical vortex modes”为题发表在Advanced Photonics Nexus上。
本研究首先利用坐标变换方法实现分数涡旋模式到整数涡旋模式的转化，如图1所示。坐标变换方法来源于广义斯涅尔定律，它能按照特定的规则实现入射光场在两个平面之间的一一映射。本研究采用的变换规则是螺旋规则，它的特点是映射前后坐标点的方位角坐标存在倍数关系，从而实现涡旋模式的相互转换。分数涡旋模式的相位分布存在不连续点，因此，需要引入额外的修正相位来获得理想的整数涡旋模式。在坐标变换之后，分数涡旋模式的有效分类通过反拓扑荷数匹配的方法实现。
图1 (a) 坐标变换示意图；(b) 坐标变换的理论预测图
图2展示的是本方案的数值模拟结果。前两列是转换后光束的强度和相位分布。出射光束的相位分布结果和目标的整数涡旋光束一致。后五列是反拓扑荷匹配的结果。在拓扑荷匹配的条件下，出射光场是一个高斯圆斑；在拓扑荷失配的条件下，出射光场明显大于光斑的光环。这样的结果说明出射光束的拓扑荷数与预期一致，证实了本方案的可行性。
图2 本方案的数值模拟结果 (a)-(d) 不同拓扑荷数的分数涡旋光的模拟结果
进一步，我们对两组不同的分数涡旋光束进行了分类实验。实验结果和相应的模式纯度如图3所示。和预期的一样，在每一组实验中，出射光场都表现出了螺旋涡旋分布。反拓扑荷匹配的结果也与数值模拟的结果十分吻合。可以清楚地看到，只有当拓扑荷匹配时，光场分布才会呈现高斯光斑图样。在不匹配的条件下，光场分布是一个略大于高斯光斑的光环。实验结果与模拟结果的一致性证实了本方案的有效性。此外，我们对分类后的模式进行了纯度分析。实验获得的模式纯度均大于86%，验证了本方案能对分数涡旋模式实现低串扰的有效分类。
图3 (a)-(b) 不同分数涡旋光的实验结果；(c) 模式纯度分析
本研究提出了一种基于坐标变换方法的分数涡旋模式的有效分类方案。本研究利用坐标映射方法将非本征的分数涡旋模式转换为本征的整数涡旋模式，从而实现分数涡旋模式的有效分类。该方案的有效性在仿真和实验两方面都得到了验证。这项工作为开发基于分数涡旋模式的具有高容量、高保密特性的光通信系统和光学数据存储系统铺平了道路，也能进一步激发分数涡旋模式在经典和量子领域的新应用。
陈险峰，上海交通大学特聘教授，国家杰出青年基金获得者，科技部中青年科技创新领军人才，上海市优秀学术带头人和上海市曙光学者等，享受政府特殊津贴。从事光学前沿及其应用研究，在非线性光学、集成光电子学、光场调控、光量子信息和生物光子学等领域做出了系列研究成果。获得亚太物理学会联合会杨振宁奖。现担任Journal of Nonlinear Optical Physics& Materials 主编。在Nature、Nature Photonics、Science Advances 与Physical Review Letters 等物理和光学领域国际重要刊物上发表论文近500篇，引用近万次。指导博士和硕士毕业生几十名，活跃在高等教育、国防、高新技术与自主创业等各个领域。2022年获上海交通大学“教书育人”一等奖。
刘海港，上海交通大学助理研究员。围绕非线性光学、微纳光子学、信息光学与量子光学等方向实现光场调控研究，拓展光场调控新原理、新技术和新应用。迄今在Physical Review Letters、Advanced Photonics、Laser& Photonics Reviews与Photonics Research 等期刊发表论文40余篇，其中在Physical Review Letters、Optics Letters 等期刊上发表的5篇文章入选ESI高被引、编辑推荐与Top Downloads等。
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