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相位渦旋光束是一種攜帶有軌道角動量（OAM）的新型結構光束，在超大容量光通信、新體制激光雷達、激光加工、高密度光存儲、高分辨率成像、量子技術等領域有著廣泛的應用前景，吸引了國內外學者的廣泛關注。特別是在超大容量光通信領域，由于相位渦旋光束攜帶的OAM具有無窮個本征值，且不同的OAM模式相互正交，使得其不僅可作為信號載波以模式復用的方式來拓展信道容量，還可用于超高維數字信號編碼，通過提升光子效率的方式間接拓展信道容量。實現復雜渦旋光場的按需調控是實現上述應用的必要條件之一，然而當前復雜渦旋光場調控方面仍存在許多尚未解決的科學問題及技術瓶頸，例如，多模復用高維OAM調控較為困難，光束OAM譜的測量的泛化能力較弱，OAM模式分布切換響應時間長等，阻礙了渦旋光束的實際工程化應用。

針對上述問題，北京理工大學光電學院高春清、付時堯團隊開展了復雜渦旋光場調控及應用的關鍵技術瓶頸攻堅，取得了一系列重要成果，相關工作發表于PhotoniX（SCI一區，IF：19.818）、Advanced Photonics Nexus（CLP與SPIE合辦新刊物）、Photonics Research （SCI一區，IF：7.254）、Optics Express、Optics Letters等，獲20余項授權發明專利，并在多個系統中得到工程化應用。主要研究進展包括：

1、高維OAM光梳的生成技術

OAM光梳是一種在“ l 域”中由等模式間距的一系列分離OAM模式構成的復雜光場結構，其為超高光子效率信息編碼的載體，同時也是高密度全息加密技術的“鑰匙”。先前研究已經證明，采用純相位調制方法不可能將基模高斯光束轉化為OAM光梳，若要獲得OAM光梳，則必須采用迭代等方法無限逼近，而迭代過程是費時的，將高維信號編碼的優勢抵消殆盡。針對這一問題，該團隊從達曼光柵技術獲得靈感，構建了 x 坐標與 φ 坐標的映射關系，研制了角向二值化相位結構衍射光學器件，最終實驗獲得了127維OAM光梳，模式均勻性達92.04%，如圖1所示。由于不同的OAM光束對應固定的角向二值化相位的相位躍變點坐標，使得可根據數值解而無需任何迭代運算即可生成任意OAM光梳，有效的解決了現有技術生成高維OAM光束響應時間長的問題。該團隊公開了不同OAM光梳下角向二值化相位的相位躍變點坐標數值解，可供本領域科研及技術人員直接調用。該工作為高維渦旋光場調控提供了全新思路，發表于CLP與SPIE新辦刊物Advanced Photonics Nexus，并被選為AP Nexus創刊首期封面，如圖2所示。付時堯副研究員是該文的第一作者及通訊作者，高春清教授為該文的共同通訊作者。

圖1 實驗獲得的127維OAM光梳

圖2  Advanced Photonics Nexus創刊首期封面

2、光束OAM譜的通用測量技術

光束所攜帶的不同OAM成分的強度比重構成了光束的OAM譜，OAM譜是描述光束OAM分布特性的重要指標。由于不同OAM分布的渦旋光束在同一應用場景下會展現完全不同的性能，因此光束的OAM譜的準確測量是其應用的重要基礎。然而，當前有報道的光束OAM譜的測量技術通常只針對具有圓對稱性的橫向光場分布的光束，對于任意光場分布的光束泛化能力不夠。針對這一問題，該團隊從光束OAM譜的定義出發，提出了光束OAM譜的通用測量技術，可適用于任意復雜光場分布光束的OAM譜測量。在測量過程中，只需引入以參考光束與待測光束同軸干涉，通過測量干涉場及帶相移的干涉場分布即可獲得待測光束的OAM譜。該工作為OAM光通信系統接收端的準確譯碼等一系列應用場景提供了全新解決方案，發表于SCI一區刊物PhotoniX。付時堯副研究員是該文的第一作者，高春清教授為該文的通訊作者。

圖3 光束OAM譜的通用測量技術

此外，該團隊還提出了渦旋光場多自由度協同調控技術（Opt. Express ,29,10811(2021), Optica Image of the Week）、超高維激光陣列光源技術（Opt. Lett. 45, 6330(2020)）、深度學習輔助光束OAM譜測量技術（Opt. Lett.47, 1419(2022)）等，并進一步演示了高維多態光子OAM鍵控通信（Opt. Express, 27, 33111(2019)）、光子OAM編碼組網（Opt. Lett.44, 4753(2019), Optica Editor’s pick）等新型渦旋光束通信技術。

文章鏈接：

https://doi.org/10.1117/1.APN.1.1.016003

https://doi.org/10.1186/s43074-020-00019-5

https://doi.org/10.1364/OE.422301

https://doi.org/10.1364/OL.412411

https://doi.org/10.1364/OL.443726

https://doi.org/10.1364/OE.27.033111

https://doi.org/10.1364/OL.44.004753

附主要作者簡介：

付時堯，北京理工大學副研究員、博士生導師，主要研究方向為激光光場多維度協同調控技術及應用。于2019年入選人力資源和社會保障部博士后創新人才支持計劃，主持國家自然科學基金等科研項目9項，部分科研成果已經工程化應用。在PhotoniX、Photonics Research、Advanced Photonics Nexus、Optics Letters、Optics Express、Applied Physics Letters、New Journal of Physics等知名期刊上發表SCI收錄論文40余篇；多次受邀在國內外頂級學術會議上作邀請報告；獲18項授權發明專利；出版專著《渦旋光束》，并入選國家“十三五”重點出版規劃，獲2018年國家科技學術著作出版基金資助。獲得中國光學學會王大珩光學獎等榮譽。現為中國光學學會高級會員、中國激光與光電子行業協會激光應用分會青年委員、中國光學工程學會會刊《紅外與激光工程》青年編委、教育部全國研究生教育評估監測專家庫專家、北京光學學會委員、美國光學學會（Optica）會員及審稿專家， SCI期刊《Frontiers in Physics》客座編輯，此外還擔任《Nature Communications》《Light: Science & Applications》《ACS Photonics》等多個學術期刊審稿人。

高春清，北京理工大學教授、博士生導師，光學工程學科責任教授。長期從事激光與光電子技術領域的研究，近年來主持國家自然科學基金重大科研儀器項目、國家自然科學基金重點項目、科技部重點研發計劃課題等項目20余項，在單頻穩頻激光器件與技術、人眼安全激光器件與技術、渦旋光束和矢量光束的產生及應用等方面成績突出，研究成果已在多個單位獲得應用。曾入選教育部新世紀優秀人才，獲中國電子學會優秀博士論文指導教師獎和優秀碩士論文指導教師獎。發表學術論文260余篇，其中SCI檢索百余篇，SCI他引1500余次，出版著作3部，獲得發明專利授權30項，獲得部級科技獎二、三等獎各1項。擔任中國電子學會光電子與量子電子學分會副主任委員，中國光學學會光電專委會常委、激光專委會委員，中國儀器儀表學會光機電技術與系統集成分會常務理事，是光子測控技術教育部重點實驗室等的學術委員會委員，擔任《光子學報》《激光與紅外》《紅外與激光工程》《應用光學》等刊物的編委。