付时尧 1,2,3,*高春清 1,2,3,**
作者单位
摘要
1 北京理工大学光电学院,北京 100081
2 信息光子技术工业和信息化部重点实验室,北京 100081
3 光电成像技术与系统教育部重点实验室,北京 100081
与宏观物体类似,光子等微观粒子也可携带角动量。光子的角动量包括自旋角动量和轨道角动量,两种角动量的共同作用产生了一种新型结构光束,即矢量涡旋光束。矢量涡旋光束具有各向异性的波面和偏振分布,提供了多种光场自由度,在量子技术、光通信、激光探测、激光加工、高分辨成像、光镊等前沿领域展现了巨大的应用潜力,吸引了国内外学者的广泛关注。高效地生成矢量涡旋光束,以及高精度地识别矢量涡旋光束的模式分布,是其应用的关键。本文简要回顾了国内外学者在矢量涡旋光束的生成与模式识别方面的研究工作,同时系统梳理了本文作者过去十年在该方面的研究进展,重点介绍了其相关代表性成果。
物理光学 激光光场调控 矢量涡旋光束 轨道角动量 自旋角动量 
光学学报
2023, 43(15): 1526001
作者单位
摘要
北京理工大学 光电学院,北京 100081
涡旋光束是一种携带轨道角动量的新型结构光场,在超大容量光通信、遥感探测等领域有着广阔的应用前景。涡旋光束在大气等非均匀介质中传输时会产生波前畸变,使得其携带的轨道角动量发生改变,对实际应用产生不利影响,因此需要引入自适应光学波前校正技术对其进行畸变校正。综述了近年来国内外学者在涡旋光束自适应畸变校正方面的研究进展,首先简要介绍了当前较为成熟的涡旋光束畸变校正技术,包括高斯光束探针与波前传感相结合、相位恢复算法与面阵探测技术相结合等技术方案;然后着重介绍了基于深度学习的新型涡旋光束畸变校正技术,包括泽尼克多项式系数反演、湍流相位屏反演等,同时讨论了将深度学习用于涡旋光束畸变校正的优势及局限性;最后展望了涡旋光束自适应畸变校正技术的发展趋势。
涡旋光束 自适应光学 深度学习 大气湍流 波前校正 vortex beam adaptive optics deep learning atmospheric turbulence wavefront correction 
红外与激光工程
2022, 51(7): 20220221
付时尧 1,2,3,*海澜 1,2,3宋睿 1,2,3高春清 1,2,3
作者单位
摘要
1 北京理工大学光电学院, 北京 100081
2 信息光子技术工业和信息化部重点实验室, 北京 100081
3 光电成像与系统教育部重点实验室, 北京 100081
矢量涡旋光束是一种新型的结构光场, 具有螺旋相位和横截面各向异性偏振分布, 在光镊、旋转体探测、光通信、高分辨率成像、量子信息等领域展现出广泛的应用前景。随着研究的不断深入, 对矢量涡旋光束的复杂光场模式分布要求越来越高, 给矢量涡旋光束的生成技术带来了巨大的挑战。此外, 如何更加实用且有效地完备表征矢量涡旋光束的模场分布、模式特性亦是其应用的重要基础。本研究团队长期从事包括矢量涡旋光束在内的结构光场调控及应用技术研究, 提出了多种输出模式连续可调的矢量涡旋光束腔外、腔内生成技术。介绍了近年来本课题组在矢量涡旋光束的表征和腔内生成方面的主要工作, 包括矢量涡旋光束总角动量态的四参量表征法、激光谐振腔内横纵模调控技术等, 并在此基础上报道了人眼安全波段全固态矢量涡旋光束激光器。
量子光学 矢量涡旋光束 总角动量 固体激光器 quantum optics vectorial vortex beam total angular momentum solid laser 
量子电子学报
2022, 39(1): 110
刘雪婷 1,2,3翟焱望 1,2,3付时尧 1,2,3高春清 1,2,3,*
作者单位
摘要
1 北京理工大学 光电学院,北京 100081
2 信息光子技术工业和信息化部重点实验室,北京 100081
3 光电成像技术与系统教育部重点实验室,北京 100081
作为新型结构光束的一类,全庞加莱球光束因其横截面上自旋角动量和轨道角动量发生耦合,近年来在自由空间光通信领域内受到广泛关注。然而,传输信道中的大气湍流将产生诸如光束扩展、漂移、光强闪烁等严重影响,进而限制光通信系统性能。结合随机相位屏,对具有“C”型偏振奇点的全庞加莱球光束、“V”型偏振奇点的柱矢量光束和均匀偏振的标量涡旋光束在湍流大气中的传播进行大量的数值模拟。归一化光强相关系数和模式纯度被用于研究杂合庞加莱球表面不同位置处表征的全庞加莱球的稳定性。结果表明,相较于具有相似偏振拓扑荷和光强分布的柱矢量光束以及标量涡旋光束而言,坐标位于南半球的全庞加莱球光束在弱湍流和中湍流(r0=0.5 m, 0.125 m)下具有较高稳定性。而在强湍流下(r0=0.056 m),优势区域缩小至2σ∈[−5π/32, 0](纬度坐标)。上述结果将为自由空间远距离通信中传输介质的选取提供重要依据并进一步促进通信质量的提升。
全庞加莱球光束 大气湍流 高稳定性 杂合庞加莱球 full Poincaré beams atmosphere turbulence higher robustness hybrid-order Poincaré sphere 
红外与激光工程
2021, 50(9): 20210242
付时尧 1,2,3黄磊 1,2,3吕燕来 1,2,3高春清 1,2,3
作者单位
摘要
1 北京理工大学 光电学院,北京 100081
2 信息光子技术工业和信息化部重点实验室,北京 100081
3 光电成像与系统教育部重点实验室,北京 100081
自Allen等证明具有螺旋相位波面的激光束携带有轨道角动量以来,对光束轨道角动量调控技术的研究取得了跨越式的发展,获得了包括相位涡旋光束、矢量涡旋光束、激光束阵列等多种新型结构光场,在超大容量光通信、遥感探测、激光加工、高分辨率成像等领域展现出广阔的应用前景。准确测量光束的轨道角动量是其应用的重要基础,早期人们更多地关注对待测光束所包含的轨道角动量成分分布的测量,后来逐步拓展至对各个轨道角动量成分的强度比重即轨道角动量谱的测量。文中系统地回顾并总结近年来光束轨道角动量谱测量技术的发展,主要介绍了包括基于衍射、模式分束等方法的新型光束轨道角动量谱测量技术。
激光光场调控 轨道角动量谱 涡旋光束 结构光束 laser field manipulation orbital angular momentum spectrum vortex beams structured beams 
红外与激光工程
2021, 50(9): 20210145
Rui Song 1,2,3Xueting Liu 1,2,3Shiyao Fu 1,2,3,*Chunqing Gao 1,2,3,**
Author Affiliations
Abstract
1 School of Optics and Photonics, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China
2 Key Laboratory of Photoelectronic Imaging Technology and System, Ministry of Education, Beijing 100081, China
3 Key Laboratory of Information Photonics Technology, Ministry of Industry and Information Technology, Beijing 100081, China
In this paper, we demonstrate a scheme to tailor both longitudinal and transverse modes inside a laser cavity and constitute an eye-safe single longitudinal mode Er:Y3Al5O12 (Er:YAG) vector laser. A q-plate is employed as a spin-orbital conversion element to modulate the transverse mode and obtain cylindrical vector beams. An optical isolator is employed as a non-reciprocal element for the ring cavity to enforce unidirectional operation and achieve single longitudinal oscillation. The characteristics of power, transverse intensity, and polarization spectrum of the output beams are observed. The observed typical single longitudinal mode and highly matched special polarizations prove the successful tailoring of both longitudinal and transverse modes.
Er:YAG single longitudinal mode cylindrical vector beam 
Chinese Optics Letters
2021, 19(11): 111404
Author Affiliations
Abstract
1 School of Optics and Photonics, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China
2 Key Laboratory of Photoelectronic Imaging Technology and System, Ministry of Education, Beijing 100081, China
We experimentally demonstrated an approach to generate arbitrary total angular momentum (TAM) states by using two liquid crystal devices. Photons’ TAM, the sum of spin and orbital angular momenta (SAM and OAM) under paraxial approximation, has found many applications in optics and attracted increasing attention in recent years. Our approach is based on the orthogonality of two eigen SAM components, that arbitrary TAM states will be produced through encoding different holograms in one system. The comparison with theoretical predications yields an excellent agreement, including both the separable state and the non-separable state. The proposed scheme takes a step forward for generating complex structured fields and broadens its application to various fields like laser processing and large capacity data transmission.
diffraction gratings polarization 
Chinese Optics Letters
2020, 18(11): 110503
作者单位
摘要
1 北京理工大学光电学院, 北京 100081
2 信息光子技术工业和信息化部重点实验室, 北京 100081
基于von Karman谱模型采用分步相位屏幕方法,仿真模拟不同阶次径向偏振矢量光束在Kolmobarov大气湍流中的传输特性,并对其Stokes矢量、闪烁指数、光束重心径向偏移量进行分析。研究发现:大气湍流下径向偏振矢量光束的光强分布环形特征的最大识别距离大于标量涡旋光束,其闪烁指数与光束重心径向偏移量都小于标量涡旋光束;高阶光束能在更远的距离保持环形特征,具有更小的闪烁指数与光束重心径向偏移量;径向偏振矢量光束的Stokes矢量图像会发生扩散与畸变。仿真结果表明,大气湍流下径向偏振矢量光束比标量涡旋光束具有更好的大气湍流抗性,高阶光束的部分性质优于低阶光束。
大气光学 矢量光束 大气湍流 闪烁指数 大气传输 
光学学报
2020, 40(11): 1101001
Author Affiliations
Abstract
1 School of Optics and Photonics, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China
2 Institute of Advanced Structure Technology, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China
3 Key Laboratory of Photoelectronic Imaging Technology and System, Ministry of Education, Beijing 100081, China
Multi-ring optical vortices are a kind of structured beams that carry orbital angular momentum (OAM) and have concentrical doughnut intensity distributions. In this Letter, we present both theoretically and experimentally a scheme that employs the dimensions of both the OAM states and radial index of multi-ring optical vortices simultaneously to accomplish high-dimensional free-space data coding/decoding transmissions. Such a scheme can further improve the coding efficiency when limited OAM states are available. In the proof-of-concept experiment, 64-ary coding/decoding employing 16 OAM states and four radial indices are present. Also, the coding/decoding performance when facing various atmosphere turbulences is evaluated. Furthermore, a 64 × 64 gray image (totally, 32,768 bits) is also transmitted through multi-ring optical vortices coding in free-space successfully, showing good transmission performance.
060.2605 Free-space optical communication 050.4865 Optical vortices 050.1950 Diffraction gratings 
Chinese Optics Letters
2019, 17(8): 080602
作者单位
摘要
北京理工大学光电学院, 北京 100081
矢量涡旋光束是一种新型的结构光束,具有横截面各向异性分布的偏振态,同时携带有轨道角动量。矢量涡旋光束的这些独特性质使得其在光通信、光镊、激光加工等领域具有重要的应用价值。对于不同的应用,所需的矢量涡旋光束的偏振态、相位分布不同,因此偏振、相位模式连续可调的矢量涡旋光束的生成系统是矢量涡旋光束应用的重要基础。报道了本课题组在矢量涡旋光束生成方面的工作,主要介绍了腔外模式连续可调的矢量涡旋光束的生成方法,以及矢量涡旋光束阵列的生成方法。
光栅 涡旋光束 偏振 轨道角动量 衍射光栅 
光学学报
2019, 39(1): 0126014

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