光束轨道角动量谱的测量技术研究

Optical vortices carrying orbital angular momentum (OAM) have attached more and more attention in laser community recently. Due to the unique feature of carrying OAM, such beams can find applications in optical tweezers, large capacity optical data transmissions, rotation detection, astronomy and so on. The accurate measurement of OAM spectra of optical vortices is the key basis for their applications. Aiming at the application requirements of beams’ OAM in the above domains, this project will study the new methods and techniques of measuring beams’ OAM spectra. The main contents are as follows. First, based on the interference theory, the theoretical model of interference measurement of beams’ OAM spectra will be built, and the new methods and techniques for measuring OAM spectra will be developed. Second, based on the scalar diffraction theory and optimal algorithm of diffractive gratings, an optical element to efficiently sort various OAM components will be developed. Finally, the technology of measuring OAM spectra based on such OAM sorting optical element will be studied. The applicant has solid foundation in fields of the generation, propagation, detection and application of optical vortices. The results of this project are of great importance for the scientific applications of optical vortices carrying OAM.

携带有轨道角动量的涡旋光束是近年来激光领域的研究热点之一，其携带有轨道角动量的独特性质使得其在光镊技术、超大容量光通信、旋转探测、天文技术等方面展现出重要的应用前景。在基于轨道角动量的应用中，准确测量光束的轨道角动量谱是应用光束轨道角动量的重要基础。本项目针对光束轨道角动量在上述技术中的应用需求，研究新型光束轨道角动量谱的测量技术，主要研究内容包括：基于干涉理论，构建新型光束轨道角动量谱的干涉测量理论模型，研究光束轨道角动量谱测量的新方法、新技术；基于标量衍射理论和衍射光栅优化算法，设计并制作可将不同轨道角动量模式理想分束的新型衍射光学器件；在前面研究的轨道角动量分束衍射光学器件的基础上，研究基于该器件的光束轨道角动量谱测量技术。本项目申请人在涡旋光束的生成、传输、探测及应用方面具有良好的研究基础，本项目的研究结果将对于光束轨道角动量的实际应用具有重要的科学意义。

携带有轨道角动量（orbital angular momentum，OAM）的涡旋光束是近年来激光领域的研究热点之一，其携带有OAM的独特性质使得其在光镊技术、超大容量光通信、旋转探测、量子技术等方面展现出重要的应用前景。准确地测量光束的OAM谱是光束OAM应用的重要基础。本项目针对光束OAM在上述场景的应用需求，研究光束OAM谱的精确测量技术，主要研究内容包括：研究光束OAM谱的干涉测量方法与技术；设计可分离不同OAM模式的新型衍射光学器件，并基于该器件研究光束OAM谱的测量方法。经三年研究，本项目完成了所有预定研究内容，所有预期指标均已达成，取得了一系列重要成果，主要包括：(1)构建了光束OAM谱的干涉测量理论模型，提出了光束OAM谱的通用测量技术，搭建了光束OAM谱的通用测量系统，实现了任意光场分布的光束OAM谱的测量；(2)设计并提出了多环角向二次相位结构，研发了单片光束OAM模式分束光栅，实现了OAM态范围-19~+19的OAM模式识别及OAM谱测量；(3)提出了衍射器件与人工智能相结合的光束OAM谱测量方法，报道了用于光束OAM谱测量的Adjusted EfficientNet神经网络模型，通过分析OAM特征提取后的光场直接输出待测光束的OAM谱，实现了OAM态范围-31~+31的OAM模式识别及OAM谱测量，测量均方根误差压缩至10^-6量级。此外，本项目还开展了一系列拓展研究，在光束OAM谱测量基础上，设计并提出了高精度光束总角动量（total angular momentum, TAM）分束方法，以液晶聚合物为材料制备了该分束器件，实现了光束自旋角动量和OAM的同时分束，可同时支持42个TAM模式，进一步地设计并实验演示了高分辨率光子TAM滤波器，实现了任意光子TAM态的按需定制。本项目在国内外光学领域权威学术期刊上发表学术论文18篇，其中SCI收录13篇，申请国家发明专利12项，其中6项已授权，培养青年人才1名，培养博士生2名，硕士研究生5名。本项目研究成果可应用于超大容量光通信、光镊、激光雷达、量子技术等前沿领域，对于光束OAM的实际应用具有重要的科学意义。

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