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近日，北京理工大學光電學院付時堯、高春清團隊提出了一種緊湊型光子角動量譜智能感知方法，采用自主研發(fā)的周期漸變超表面提取待測光束的角動量特征，并經(jīng)設(shè)計搭建的SADT-Net神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能分析，實現(xiàn)了對光子角動量譜的精確測量，該項研究成果以“Metasurface based intelligent identification of total angular momentum spectra for beams”為題發(fā)表于SCI一區(qū)期刊ACS Photonics。該工作得到了北京市自然科學基金、國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃等項目的支持。該工作的合作單位為中國電力科學研究院以及香港理工大學，北京理工大學是唯一通訊作者單位。北京理工大學光電學院2022級博士研究生李浪、2022級碩士研究生高李梁、中國電科院程宇心博士為該論文的共同第一作者，付時堯教授為該論文的通訊作者。

先前研究表明，光子作為一種能量子，也可攜帶角動量。在傍軸近似下，光子的總角動量態(tài)可表示為自旋角動量態(tài)與軌道角動量態(tài)的直積。自旋角動量有兩個本征值，對應(yīng)宏觀的左右旋圓偏振態(tài)；而軌道角動量對應(yīng)于宏觀的螺旋波面，其本征值可為任意整數(shù)。由于這些總角動量模式彼此正交，一束光中可同時包含多個總角動量模式，這些模式的相對強度分布就是這束光的總角動量譜，決定了光束的橫向拓撲結(jié)構(gòu)（各向異性波前及偏振分布）。光束的總角動量已應(yīng)用于大容量光通信、信息加密、新型拓撲結(jié)構(gòu)光場研究等領(lǐng)域，而高精度測量總角動量譜是這些前沿領(lǐng)域的核心基礎(chǔ)。不同于軌道角動量譜的單一自由度測量，總角動量譜測量需要對兩種自旋角動量態(tài)下的軌道角動量譜進行同時感測。現(xiàn)有技術(shù)通常利用偏振敏感器件進行光束總角動量模式分束以間接測量，但分束模式易混疊，支持模式數(shù)有限，僅能識別總角動量模式，很難測量總角動量譜。

圖1 光束總角動量譜測量基本原理

針對上述問題，為實現(xiàn)對光子總角動量譜的精確測量，付時堯教授團隊應(yīng)用幾何相位設(shè)計方法，制備了周期漸變結(jié)構(gòu)超表面，完成了對待測光束總角動量分布特征的提取。該超表面的兩個衍射級分別為兩個自旋角動量本征模式下的特征提取衍射光場，經(jīng)相機采集后，再利用該工作設(shè)計訓練的、建立了特征衍射光場與對應(yīng)總角動量譜的映射關(guān)系的SADT-Net卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析，最終高精度測量了待測光束的總角動量譜，測量均方誤差達到了10-6。該方法實現(xiàn)了對自旋角動量譜和軌道角動量譜的同時測量，最多支持34個總角動量模式，且魯棒性強。此外，該測量方法表現(xiàn)出很強的抗噪聲的能力，在實驗中引入圖像采集噪聲、光路對準誤差后，仍能保持光束總角動量譜的高精度識別。

圖2 不同強度圖像采集噪聲下的光束總角動量譜識別效果

該工作利用周期漸變結(jié)構(gòu)超表面成功提取了待測光束的總角動量分布特征，再經(jīng)人工智能算法識別，最終實現(xiàn)了對光束總角動量譜的快速高精度測量，提供了緊湊、快速、穩(wěn)定、準確的光子態(tài)譜測量方案。該工作將有力促進大容量激光通信、新型激光探測、高維量子信息等基于光子角動量的新質(zhì)應(yīng)用發(fā)展。

文章鏈接：https://doi.org/10.1021/acsphotonics.4c01930

第一作者簡介：

李浪，北京理工大學光電學院2022級博士研究生，導師為付時堯教授，主要研究方向為復雜結(jié)構(gòu)光場分析及其在目標探測等方面的應(yīng)用。在Advanced Photonics等發(fā)表論文11篇，以學生第一發(fā)明人申請發(fā)明專利1項，獲軟著2項。參加2024年全國光學與光學工程博士生學術(shù)聯(lián)賽，以百強賽單場冠軍身份進入全國總決賽并獲優(yōu)秀獎。

高李梁，北京理工大學光電學院2022級碩士研究生，導師為付時堯教授，主要研究向為渦旋光場模場分析與評價，在ACS Photonics等發(fā)表論文4篇，以學生第一發(fā)明人申請發(fā)明專利1項。

程宇心，博士，工作于中國電力科學研究院電力傳感研究所，主要從事MEMS電氣量微納傳感器研發(fā)工作，在Nature Communications等發(fā)表論文18篇。

通訊作者簡介：

付時堯，北京理工大學教授、博導，國家級青年人才。長期從事激光光場調(diào)控技術(shù)及應(yīng)用研究，主持國家重點研發(fā)計劃、基金委原創(chuàng)探索計劃等項目十余項，出版專著2部，發(fā)表論文60余篇，獲授權(quán)發(fā)明專利22項，研究成果已應(yīng)用于多個系統(tǒng)。曾入選博新計劃，獲北京市自然科學二等獎（序1）、中國電子學會優(yōu)秀博士論文獎、王大珩光學獎等。現(xiàn)為美國光學學會資深會員（Optica Senior Member）、中國激光雜志社第三屆青年編委員會委員、《光學學報》等期刊青年編委、《紅外與激光工程》青編委會執(zhí)行委員會委員等。