作者单位
摘要
1 深圳大学射频异质异构集成全国重点实验室,微纳光电子学研究院纳米光子学研究中心,广东 深圳 518060
2 之江实验室智能感知研究院,浙江 杭州 311100
自旋角动量是基本粒子和场的一个基本的动力学物理量,它在光与物质相互作用中扮演着极其重要的角色。在光学研究中,光的自旋角动量与圆极化密切相关,通过研究光学自旋与物质或结构的相互作用产生了许多新颖有趣的光学现象和光学应用,并诞生了自旋光学这一新兴学科。过去的研究中,研究人员主要聚焦在与平均波矢方向平行的纵向光学自旋。近年来,科研人员通过研究限制场如聚焦波、导波和倏逝波等的自旋轨道耦合性质,发现了一类新型的光学自旋,这类自旋与平均波矢方向垂直,因此被称为光学横向自旋。横向自旋具有自旋动量绑定的性质,一经发现便受到研究人员的广泛关注。横向自旋的发现拓展了光学自旋轨道相互作用的内容,并在光学操纵、光学精密检测、手性量子光学和光学自旋拓扑态等领域具有广阔的应用前景。本文从理论、实验技术和应用3个方面详细介绍自旋光学的最新进展。自旋光学的理论概念和框架可为研究人员进一步开拓基于光学自旋在光学成像、光学探测、光通信和量子技术等领域的应用发挥巨大的作用,同时也可拓展到一般经典波场,比如流体波、声波和引力波等。
物理光学 自旋角动量 自旋动量绑定 自旋轨道耦合 光学微分计算 光学探测 横向光学力 
光学学报
2024, 44(10): 1026002
Author Affiliations
Abstract
The ability to overcome the negative effects, induced by obstacles and turbulent atmosphere, is a core challenge of long-distance information transmission, and it is of great significance in free-space optical communication. The spatial-coherence structure, that characterizes partially coherent fields, provides a new degree of freedom for carrying information. However, due to the influence of the complex transmission environment, the spatial-coherence structure is severely damaged during the propagation path, which undoubtedly limits its ability to transmit information. Here, we realize the robust far-field orbital angular momentum (OAM) transmission and detection by modulating the spatial-coherence structure of a partially coherent vortex beam with the help of the cross-phase. The cross-phase enables the OAM information, quantified by the topological charge, hidden in the spatial-coherence structure can be stably transmitted to the far field and can resist the influence of obstructions and turbulence within the communication link. This is due to the self-reconstruction property of the spatial-coherence structure embedded with the cross-phase. We demonstrate experimentally that the topological charge information can be recognized well by measuring the spatial-coherence structure in the far field, exhibiting a set of distinct and separated dark rings even under amplitude and phase perturbations. Our findings open a door for robust optical signal transmission through the complex environment and may find application in optical communication through a turbulent atmosphere.
degree of coherence orbital angular momentum cross-phase topological charge information transmission 
Opto-Electronic Science
2024, 3(1): 240001
作者单位
摘要
1 上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海 200093
2 釜山国立大学物理系,韩国釜山 46241
光学轨道角动量(OAM)可以纵向OAM的形式存在于空间涡旋光束中,或以横向OAM的形式存在于时空光涡旋波包中。与涡旋光束不同,时空光涡旋波包在传播过程中同时受到衍射和色散效应的影响,造成波包在时空域内的展宽,并且时空光涡旋波包携带的横向OAM也会在传播过程中分裂。这两点限制了横向OAM在其他研究领域的应用。本文引入并研究了携带横向OAM的三维时空局域波包,此波包可以同时克服衍射与色散效应造成的时空域三维变化。在传播过程中,该时空局域波包的时空域分布不变,且在遇到障碍物后也能快速重新恢复到原有的状态,具有传播不变以及自恢复的特性。本文对时空局域波包的传播过程以及经过障碍物后的恢复过程进行了数值模拟仿真,证实了其传播不变特性和自恢复特性。这种携带横向OAM的三维时空局域波包为横向OAM未来的利用提供了新的机遇,有望应用于光通信、量子光学、光学成像等领域。
横向光学轨道角动量 三维时空局域波包 传播不变 自恢复 
光学学报
2024, 44(10): 1026018
王健 1,2,*王仲阳 1,2刘劲峰 1,2汪朔 1,2
作者单位
摘要
1 华中科技大学武汉光电国家研究中心,湖北 武汉 430074
2 湖北光谷实验室,湖北 武汉 430074
介绍了无线通信和涡旋电磁波的基本概念及相关技术,详细回顾了近年来基于涡旋电磁波的无线通信技术实验研究进展,包括微波涡旋电磁波通信、太赫兹涡旋电磁波通信、中红外涡旋电磁波通信、近红外涡旋电磁波通信和可见光涡旋电磁波通信等。同时,介绍了卫星涡旋激光通信技术的理论研究进展以及拓展结构光(如贝塞尔光和矢量光等)通信在抵抗障碍物和湍流影响方面的实验研究进展。最后也讨论了涡旋电磁波无线通信技术的挑战与展望。多频段和多维度融合的涡旋电磁波及拓展结构化电磁波,可以为多场景、跨尺度、大容量、远距离、高鲁棒性的无线通信提供潜在解决方案,也有望应用于未来卫星通信中。
无线通信 自由空间光通信 轨道角动量 涡旋电磁波 结构化电磁波 卫星通信 
激光与光电子学进展
2024, 61(7): 0706001
Author Affiliations
Abstract
1 National University of Defense Technology, College of Advanced Interdisciplinary Studies, Changsha, China
2 National University of Defense Technology, Nanhu Laser Laboratory, Changsha, China
3 National University of Defense Technology, Hunan Provincial Key Laboratory of High Energy Laser Technology, Changsha, China
Orbital-angular-momentum (OAM) multiplexing technology offers a significant dimension to enlarge communication capacity in free-space optical links. The coherent beam combining (CBC) system can simultaneously realize OAM multiplexing and achieve high-power laser output, providing substantial advantages for long-distance communication. Herein, we present an integrated CBC system for free-space optical links based on OAM multiplexing and demultiplexing technologies for the first time, to the best of our knowledge. A method to achieve flexible OAM multiplexing and efficient demultiplexing based on the CBC system is proposed and demonstrated both theoretically and experimentally. The experimental results exhibit a low bit error rate of 0.47% and a high recognition precision of 98.58% throughout the entire data transmission process. By employing such an ingenious strategy, this work holds promising prospects for enriching ultra-long-distance structured light communication in the future.
orbital angular momentum coherent beam combining free-space optical communication bit error rate 
Advanced Photonics Nexus
2024, 3(3): 036003
施宇智 1,2,3,4,*赖成兴 1,2,3,4夷伟成 1,2,3,4黄海洋 1,2,3,4[ ... ]程鑫彬 1,2,3,4,**
作者单位
摘要
1 同济大学物理科学与工程学院,同济大学精密光学工程技术研究所,上海 200092
2 先进微结构材料教育部重点实验室,上海 200092
3 上海市数字光学前沿科学研究基地,上海 200092
4 上海市全光谱高性能光学薄膜器件及应用专业技术服务平台,上海 200092
5 香港理工大学电机与电子工程学系,香港 999077
6 新加坡国立大学电气与计算机工程系,新加坡 117583
光镊技术利用光和物质之间动量交换产生的光力对细小颗粒进行操控,具有无接触、操控尺寸小、精度高等特点,在基础物理、量子计算、生物医学等领域得到了广泛的应用。其中,横向光力(也称光横向力,OLF)是一种垂直于光的传播方向且与场强度梯度无关的特殊光力。近十年来,OLF的理论研究和实验探索成为了热点课题,在手性颗粒等超精密分选、光动量探测等方面有重要应用。从OLF的原理和产生条件、不同物理机制,以及在生物医学和物理化学等领域的应用等方面出发,对OLF的发展进行回顾和讨论,并对新的产生机制和更多的潜在应用与挑战进行展望。
横向光力 角动量 光学操控 光学自旋 手性颗粒 
光学学报
2024, 44(7): 0700001
作者单位
摘要
长春理工大学物理学院吉林省固体激光技术与应用重点实验室,吉林 长春 130022
基于Rytov近似,理论推导了完美涡旋光束(PVB)经过大气湍流水平信道后的螺旋相位谱解析表达式,研究了大气湍流中光束波长、半环宽、发射处轨道角动量(OAM)模态、光束半径、近地面折射率结构常数以及湍流系数对OAM模态探测概率和串扰概率的影响。结果表明:随着发射处OAM模态、传输距离、光束半径、近地面折射率结构常数以及湍流系数的增加,经大气湍流传输后的探测概率下降;随着光束波长的增加,经大气湍流传输后的探测概率增加。此外,PVB在近场的探测概率几乎不随发射处OAM模态变化,而当光束传输到远场时,探测概率随发射处OAM模态变化明显,这是因为PVB传输到远场变成类贝塞尔光束,其光束半径随发射处OAM模态变化明显。
大气光学 完美涡旋光束 轨道角动量 湍流大气 螺旋相位谱 
光学学报
2024, 44(6): 0601002
熊光昀 1,2,3唐奥 1,2,3兰斌 1,2沈锋 1,2,*
作者单位
摘要
1 中国科学院大学自适应光学重点实验室,四川 成都 610209
2 中国科学院光电技术研究所,四川 成都 610209
3 中国科学院大学,北京 100049
倾斜透镜可以将拉盖尔-高斯光束转换为厄米-高斯光束。因此,推导了基于倾斜透镜的拉盖尔-高斯光束阵列与厄米-高斯光束阵列相互转换的位置映射关系。当倾斜透镜绕任意轴旋转一定角度时,两光束阵列的位置将会关于该轴对称。实验中,利用空间光调制器生成了1×1、2×2、3×3、3×1、1×3的拉盖尔-高斯光束阵列,并用倾斜透镜将其转换为厄米-高斯光束阵列,通过对比两光束阵列的光场分布,验证了上述理论分析结果。实验结果与理论分析完全一致。该工作为拉盖尔-高斯光束阵列的轨道角动量测量提供了更明确的理论指导。
拉盖尔-高斯光束阵列 轨道角动量测量 倾斜透镜 位置映射关系 厄米-高斯光束阵列 
激光与光电子学进展
2024, 61(5): 0507001
叶东 1,2,*宋华青 2林百川 2李俊瑶 1[ ... ]张颐 1
作者单位
摘要
1 江苏警官学院刑事科学技术系,江苏 南京 210031
2 公安部鉴定中心,北京 100032
时空光涡旋由于其携带横向轨道角动量这一独特的性质引起研究人员的广泛关注,与普通涡旋光束相比,其能提供额外的自由度,这标志着对光场调控的水平能够达到更高的层次。以同时在时空域和空域均携带螺旋相位的时空-空域光涡旋为基础,数值模拟了时空-时空光涡旋和时空-时空-空域光涡旋。通常根据时空光涡旋中不同光涡旋之间共心的情形,通过引入参量来调控时空域光涡旋中心的位置,从而达到不同光涡旋之间不共心的目的,并数值模拟了偏心双光涡旋和偏心三光涡旋这两种物理模型。本研究丰富时空光涡旋的模式,并为其后续研究提供理论基础。
超快激光 轨道角动量 时空涡旋 空间涡旋 螺旋相位 
激光与光电子学进展
2024, 61(5): 0526002
Author Affiliations
Abstract
1 Wuhan National Laboratory for Optoelectronics and School of Optical and Electronic Information, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China
2 Optics Valley Laboratory, Wuhan 430074, China
Optical vortex arrays, with their unique wavefront structures, find extensive applications in fields such as optical communications, trapping, imaging, metrology, and quantum. The methods used to generate these vortex beam arrays are crucial for their applications. In this review, we begin with introducing the fundamental concepts of optical vortex beams. Subsequently, we present three methods for generating them, including diffractive optical elements, metasurfaces, and integrated optical devices. We then explore the applications of optical vortex beam arrays in five different domains. Finally, we conclude with a summary and outlook for the research on optical vortex beam arrays.
optical vortex array topological charge number orbital angular momentum vector beam 
Chinese Optics Letters
2024, 22(2): 020011

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