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近日，北京理工大學(xué)光電學(xué)院付時堯、高春清團隊提出了一種寬譜軌道角動量光梳智能調(diào)控方法，實現(xiàn)了軌道角動量態(tài)±75范圍內(nèi)的光場超高維調(diào)控，該研究成果以" Intelligent tailoring of broadband orbital angular momentum comb towards efficient optical convolution" 為題發(fā)表在頂刊Photonics Research（SCI一區(qū)，IF：6.6）。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金原創(chuàng)探索計劃、國家重點研發(fā)計劃等支持。北京理工大學(xué)是唯一第一及通訊作者單位，北理工2023級博士研究生周詩韻為第一作者，付時堯教授為通訊作者。

軌道角動量（Orbital angular momentum, OAM）作為一種激光的新型高維自由度，在超大容量光通信、新體制激光雷達、高密度光存儲、量子信息技術(shù)等尖端領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。一束激光可同時攜帶多個OAM模式，且不同的OAM模式相互正交，在“OAM域”中構(gòu)成了梳狀函數(shù)，即OAM光梳。寬譜OAM光梳是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(shù)的“鑰匙”。先前研究已經(jīng)證明，采用純相位調(diào)制方法不可能將基模高斯光束轉(zhuǎn)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(yōu)勢抵消殆盡。寬譜OAM光梳的高效、精準(zhǔn)按需調(diào)控仍面臨重大挑戰(zhàn)。

針對這一問題，研究團隊提出了一種基于多尺度融合學(xué)習(xí)的U型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（MSUNet），用于編碼寬譜OAM光梳調(diào)控相位計算，實現(xiàn)了寬譜OAM光梳的快速、精準(zhǔn)按需調(diào)控。如圖1所示，該智能框架通過多尺度特征提取補償模式強度損失，極大提高了相位調(diào)制圖樣的生成精度與計算效率。通過引入OAM譜測量模型，能夠直接分析調(diào)制后的光場精度，實現(xiàn)有效的損失約束。

實驗結(jié)果驗證了該方法的卓越性能，其調(diào)制OAM模式范圍可覆蓋-75至+75，平均均方根誤差（RMSE）低至0.0037，保真度達到85.01%，計算時間僅約30毫秒，如圖2所示。

圖1 多尺度融合學(xué)習(xí)的U型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)寬譜OAM光梳智能調(diào)控

圖2 寬譜OAM光梳按需調(diào)控實驗結(jié)果

此外，研究團隊進一步將定制的寬譜OAM光梳應(yīng)用于光學(xué)卷積計算，實現(xiàn)了任意離散函數(shù)的矢量卷積運算，如圖3所示，其實驗驗證RMSE為0.0138，保真度達82.82%，展現(xiàn)了OAM光梳在高階光學(xué)計算中的潛在能力。

圖3 寬譜OAM光梳矢量卷積運算

該工作突破了寬譜OAM光梳按需調(diào)控的技術(shù)瓶頸，提供了一種簡單、高效且高精度的解決方案，為未來高維OAM光場在光學(xué)計算、大容量通信、量子信息處理等前沿領(lǐng)域的進一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

論文鏈接：https://doi.org/10.1364/PRJ.550470

附作者簡介：

第一作者，周詩韻，北京理工大學(xué)光電學(xué)院2023級博士研究生，導(dǎo)師為付時堯教授，主要研究方向為激光光場智能調(diào)控算法。以第一作者在Photon. Res., Opt. Lett.等期刊發(fā)表SCI論文4篇，申請發(fā)明專利 5項。

通訊作者，付時堯，北京理工大學(xué)教授、博導(dǎo)，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23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(xué)二等獎（序1）、中國電子學(xué)會優(yōu)秀博士論文獎、王大珩光學(xué)獎等。現(xiàn)為美國光學(xué)學(xué)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(xué)學(xué)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。