近幾十年來(lái)，OAM光束或光學(xué)渦旋光束由于其獨(dú)特的特性已被用于各種有趣的應(yīng)用，如光鑷和原子操縱、顯微鏡、遙感和量子信息。在提高自由空間/光纖通信系統(tǒng)的光譜效率和傳輸能力方面也引起了人們的廣泛關(guān)注。在許多應(yīng)用中，檢測(cè)光學(xué)渦旋光束的TC值（包括模量和符號(hào)）似乎尤為重要。

課題組提出并演示了一種利用徑向相位光柵檢測(cè)光渦旋光束光子拓?fù)潆姾桑═Cs）的方法。基于數(shù)值模擬結(jié)果，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提方法的可行性。渦旋光束產(chǎn)生和檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1（a）所示。實(shí)驗(yàn)所用SLM為UPOLabs液晶空間光調(diào)制器HDSLM64R。

圖1 用于產(chǎn)生和檢測(cè)渦旋光束的實(shí)驗(yàn)裝置

TCs的模量可以通過(guò)遠(yuǎn)場(chǎng)衍射圖樣的暗條紋數(shù)量來(lái)獲得，TCs的符號(hào)由圖樣的取向決定。該方案演示了高達(dá)±120的TCs檢測(cè)。此外，通過(guò)研究光柵不同方位角周期的圖案演變以及光柵中心與渦旋光束之間的距離，表明該檢測(cè)方案具有優(yōu)異的對(duì)準(zhǔn)公差，并且對(duì)光柵的參數(shù)沒(méi)有嚴(yán)格的要求。圖2為RPG渦旋光束TC檢測(cè)示意圖和數(shù)值模擬結(jié)果。

圖2 RPG渦旋光束TC檢測(cè)示意圖和數(shù)值模擬結(jié)果

圖3顯示了l=+2,+5,+8,+10,+12,+15,+20,+25,+60,+120時(shí)的檢測(cè)渦旋光束TCs的相應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。歸一化后實(shí)驗(yàn)結(jié)果與上述數(shù)值模擬結(jié)果吻合較好。

圖3

圖4顯示了l=-2,-5,-8,-10,-12,-15,-20,-25,-60,-120時(shí)的渦旋光束TCs檢測(cè)的相應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。對(duì)于負(fù) TCs 的檢測(cè)，圖案的方向在垂直方向上旋轉(zhuǎn) 90°。值得注意的是，當(dāng)TCs數(shù)量相對(duì)較高時(shí)，圖案的分辨率會(huì)降低，使其難以識(shí)別。如圖 4 所示，當(dāng) TCs 數(shù)量大于 20 時(shí)，遠(yuǎn)場(chǎng)圖案變得有點(diǎn)模糊，不容易計(jì)算暗條紋的數(shù)量。盡管如此，我們?nèi)匀豢梢愿鶕?jù)衍射圖的方向獲得TCs的符號(hào)。

圖4

該光柵僅產(chǎn)生負(fù)的一階衍射圖，衍射效率接近 100%，并且對(duì)于負(fù) TC 檢測(cè)，圖案的方向在水平方向上旋轉(zhuǎn)，而對(duì)于正 TC 檢測(cè)，圖案的方向變?yōu)榇怪薄Ｒ虼耍覀兛梢詫?shí)現(xiàn)對(duì)渦旋光束的TC的檢測(cè)，最高可達(dá)-120。因此，所提方法可以檢測(cè)高達(dá)±120的高階渦旋光束的TC。如圖3和圖4所示，在我們的實(shí)驗(yàn)中，由于渦旋光束源的不理想和由此產(chǎn)生的不理想的圓對(duì)稱強(qiáng)度分布，l=±120的衍射圖樣不是那么對(duì)稱。但是，仍然可以清楚地計(jì)算出深色條紋的數(shù)量。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證該方案的性能，我們還對(duì)情況進(jìn)行了數(shù)值和實(shí)驗(yàn)研究當(dāng)距離 D 和周期 P 變化時(shí)。圖5顯示了l=+8的渦旋光束穿過(guò)D=5 mm、8 mm、10 mm、12 mm和15 mm的RPG后遠(yuǎn)場(chǎng)衍射圖樣的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。RPG 的方位角周期 P 設(shè)置為 0.02 rad。當(dāng)距離D發(fā)生變化時(shí)，遠(yuǎn)場(chǎng)衍射圖樣也隨之變化。對(duì)于較大的距離D，RPG的間隔也變大，從而降低了衍射效應(yīng)，從而導(dǎo)致衍射圖樣模糊，更接近零級(jí)衍射的位置。然而，從 D=5 mm 到 D=12 mm 仍然可以觀察到不同的模式。因此，該方案在對(duì)準(zhǔn)時(shí)具有出色的公差。

圖5

圖6顯示了l=+6的渦旋光束穿過(guò)方位角周期P=0.01 rad、0.015 rad、0.02 rad、0.03 rad和0.04 rad的RPG后遠(yuǎn)場(chǎng)衍射圖的演變。D的值設(shè)置為 8 mm。當(dāng) P=0.02 rad 的值時(shí)，可以觀察到最明顯的模式。RPG方位角周期的進(jìn)一步減小或增加會(huì)逐漸降低渦旋光束探測(cè)的性能，但可接受的變化范圍很大，從0.015 rad到0.04 rad。因此，檢測(cè)方案對(duì)光柵的參數(shù)沒(méi)有嚴(yán)格的要求。

圖6

綜上所述，課題組展示了一種高效且可擴(kuò)展的方法，用于檢測(cè)徑向相位光柵的光渦旋光束的光子TCs。渦旋光束的模量和TC符號(hào)的檢測(cè)可以通過(guò)分別計(jì)算暗條紋的數(shù)量和觀察遠(yuǎn)場(chǎng)衍射圖的方向來(lái)實(shí)現(xiàn)。RPG方法是可擴(kuò)展的，可對(duì)不同階數(shù)的 OAM 光束進(jìn)行穩(wěn)健檢測(cè)。通過(guò)該方案，我們實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了對(duì)高達(dá)±120的光子TCs的檢測(cè)。需要注意的是，如果使用具有更大有效面積和更高分辨率的SLM和CCD，該方法可以進(jìn)一步放大以檢測(cè)更高的階數(shù)。所展示的方法還具有出色的徑向相位光柵參數(shù)偏差公差。值得一提的是，由于不同OAM態(tài)之間的衍射階數(shù)相同，所提出的光柵無(wú)法探測(cè)到許多不同OAM態(tài)疊加的OAM光譜。

審核編輯：劉清