轨道角动量

摘要： 电磁轨道角动量(orbital angular momentum,OAM)具有模值相互独立且正交的特性,能用于无线通信中提高频谱效率和通信容量,因而备受关注。针对基于矩形阵列的多输入多输出技术(multiple-input multiple-output,MIMO)不易与基于均匀圆形阵列的OAM复用相结合,以及高模态OAM波的大发散性与高衰减的问题,提出了一种基于大型矩形阵列生成OAM波的方法;为进一步优化矩形阵列的性能和降低复杂度,利用遗传算法实现了阵列稀疏化。仿真结果表明:能在不改变既有主动天线单元的前提下,高效生成OAM波;可将矩形阵列的总元素减少约25%,实现峰值旁瓣电平(peak side lobe level,PSLL)降低70%,稀疏后的信道容量与稀疏前非常逼近。该方法将有助于OAM在现有的MIMO与2D天线阵列中的应用。

摘要： 传统光学手性测量是基于物质结构对左旋和右旋圆偏振光响应的差异实现的,而光的圆偏振状态对应光子自旋角动量(SAM)状态。光子轨道角动量(OAM)的发现为光子状态扩展了新的自由度,在手性测量领域引入光子OAM态有助于探索新的物质手性测量方法。从光子SAM、OAM以及光学手性的基本概念入手,综述了近年来国内外基于光子OAM的手性测量方法。现有的研究结果表明,通过引入光子OAM态可以增强传统圆二色谱的测量。另一方面,基于光子自旋-轨道耦合效应或光场与分子电四极矩的高阶相互作用,手性信号可以通过直接改变光子OAM量子数的符号进行测量。此外,高阶光子OAM态可用于提高尺寸较大的颗粒的手性响应。最后讨论了光场时空涡旋调控技术的最新进展并展望了其未来在手性测量中的潜在应用。

摘要： 1992年Allen等认识到光子可以携带轨道角动量(OAM),其表现为波前的螺旋相位分布。由于其独特的光场分布以及其拓扑荷理论上可取任意整数等特性, OAM光束在超分辨成像、高密度数据编码等领域具有重要作用。对微纳尺度下OAM光束与物质相互作用新机制的研究,有望为现代光子器件以及多维光与物质相互作用等领域提供新的思路和方法。介绍了本课题组利用OAM光束在纳米结构上实现多维信息复用以及OAM光束拓扑荷的探测技术,并对纳米尺度OAM光束的应用进行了展望。

摘要： 光子的轨道角动量(OAM,orbital angular momentum)能够形成一个无限维完备的Hilbert空间,是一种具有无限维度的独特物理自由度。在信息处理中,光子的轨道角动量可以大幅度增加经典和量子信息处理的容量。具有轨道角动量的单光子源是高维量子信息处理的关键器件,此前的实现方案是非线性参量下转换加螺旋相位片,其固有的概率性和低效率制约了大容量高维量子信息处理的发展。为突破这一瓶颈,中山大学王雪华、刘进教授研究团队提出、设计并制备出一种基于GaAs半导体微环谐振腔的量子光源结构,实现了触发式高亮度的轨道角动量单光子源。

摘要： 艾里光束作为一种具有自加速特性的无衍射光束,在光镊、光学成丝、成像、表面等离子激发等众多领域都具有应用潜力。而在艾里光束基础上引入涡旋项可以丰富光场特性,同时利用艾里光束特性与涡旋相位特性为光场分布调谐提供了更大的灵活性,也引入了更多的动力学演化特性。以直角坐标和极坐标系下艾里光束的特性与应用为切入口,系统介绍了各类艾里涡旋的参数调谐与演化特性,包括直角坐标和极坐标系下单个艾里涡旋在各个情况下的演化特性、产生方式与应用,以及直角坐标和极坐标系下的艾里涡旋叠加光束的奇特性质等,为系统了解艾里涡旋参数及动力学特性提供参考,进而为产生具有更加丰富性质的光场打下基础,对扩大艾里涡旋的实际应用领域具有指导意义。

摘要： 为研究高阶衍射级光束的轨道角动量,基于计算全息法在空间光调制器的傅里叶平面产生了不同衍射级的完美涡旋光束,并利用球面波干涉法对其拓扑荷值进行了测量。理论和实验结果表明不同衍射级p上的整数阶和分数阶完美涡旋光束的拓扑荷值l都满足l=mp的关系,其中m是相位掩模板的拓扑荷值。并进一步对不同衍射级的光学涡旋阵列进行了实验研究,结果表明光学涡旋阵列中光学涡旋的拓扑荷值满足l=p的关系,高阶衍射级上的衍射光束比+1级衍射光束具有更大的轨道角动量。该研究为光学涡旋及光学涡旋阵列进一步的研究及应用提供了理论和实验参考。

摘要： 信息安全是国家核心竞争力的重要组成部分,量子密钥分发(QKD)利用量子力学基本原理对信息实现计算复杂度无关的安全加密,是下一代信息安全技术的重要选项。经过三十多年的发展,以结合诱骗态的BB84协议为代表的QKD方案已经非常成熟,并逐渐开始了规模化部署。持续探索基础方案和核心技术是推动QKD发展的基础动力。在单回合通信中,基于高维量子态编码的高维QKD(HD-QKD)技术具有更高的信息承载效率和更强的抗噪声能力,因而具有重要的发展和应用潜力,已成为当前QKD领域的重要研究方向之一。光子的轨道角动量(OAM)自由度原则上具有无穷维希尔伯特空间,是实现HD-QKD的重要物理资源。重点回顾了基于OAM光子态的HD-QKD的发展历程,梳理并讨论了该研究方向的主要技术成果和面临的关键技术问题,并展望其未来发展趋势。

摘要： 史保森,中国科学技术大学物理学院二级教授,中国光学学会光量子科学与技术专委会委员。曾入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”,获得国家基金委杰出青年基金支持。从事量子信息、非线性光学、集成光学及量子光学的理论和实验研究,近年来在Nat.Photon.,Nat.Commun.,PRL/X等著名学术刊物以第一/通信作者发表论文100余篇。获中国光学学会光学科技奖一等奖(排名第一)和安徽省自然科学一等奖(排名第一)及2014、2016和2018年中科院优秀导师奖。

摘要： 光子既是经典信息也是量子信息的理想载体。单个光子不仅可以携带自旋角动量,还可以携带轨道角动量。自旋角动量的研究历史比较悠久,早在1909年, Poynting就将宏观上光波的圆偏振态和微观上单个光子的自旋角动量联系起来。但直到1992年,荷兰Leidon大学的Allen等才在理论上确认光子也可以携带另外一种形式的角动量――轨道角动量,它来源于光波的螺旋相位。

摘要： 为了实现高纯度轨道角动量模式的传输和放大,本文提出了一种可用于轨道角动量的受激布里渊放大的光子晶体光纤放大器并对其结构进行了设计.利用有限元法在C波段内对该光子晶体光纤放大器的传输性能进行了系统分析,研究结果表明,该光子晶体光纤放大器可支持66种轨道角动量模式的高纯度传输和放大,其传输的轨道角动量模式的纯度均高于99.4%.通过对不同拓扑荷数的轨道角动量模式的布里渊增益谱进行系统的分析,发现均具有较高的布里渊增益系数(>7×10^(-9)m/W),与现有的性能最优的OAM放大器相比提高了4—5个数量级,实现了较高的信号增益.该光子晶体光纤放大器的综合性能显著优于现有基于受激布里渊放大的光纤放大器和掺杂稀土离子的光纤放大器,这使其能够稳定、准确地对OAM模式进行同步放大和长距离传输,为轨道角动量模式激光系统的设计提供了一种可能.

摘要： 利用厚度为半波长的平面形声学共振体,使入射平面波的声波矢量发生扭曲,从而产生携带特定轨道角动量的声学涡旋场.通过在仿真和实验中产生贝塞尔型声学涡旋场来验证该种全新的轨道角动量转换机制.传统的产生声学涡旋场的方法,或需要繁冗复杂的换能器以及电路控制,或需要体积庞大的螺旋分布型几何结构.在该种转换机制下所设计的声学共振体具有高效率、小体积、平面状的特点,将为产生声学涡旋场提供新的可能性,促进在实际中的进一步应用.

摘要： 不可区分态在量子计算和量子通信中有着广泛的应用,它表现出来的自由度间的不可区分性并非是量子系统独有的性质.以经典光场的偏振态和轨道角动量的空间模式构成混合不可区分态并对这个态进行研究,通过它对贝尔不等式的违反,验证它的自由度间的不可区分性.类比偏振的琼斯矩阵形式引入轨道角动量模式的矩阵表示,并给出轨道角动量模式变换与旋转的矩阵形式.通过对空间模式的周期演化在模式子空间引入Pancharatnam相位,不同的演化过程对应不同的Pancharatnam相位.通过这种办法使偏振与空间模式的不可区分态在整体上获得一相对相位.在线性基矢下测量,违反贝尔不等式的最大值随着相对相位呈周期性变化,对测量基矢引入同样的相对相位可以消除这种周期变化.

摘要： 采用瑞托夫近似方法,分析研究了在弱湍流海洋通道中,湍流对拉盖尔高斯(LG)光束的轨道角动量探测概率、串音概率以及螺旋谱分布的影响.通过数值模拟分析,得出以下结论:在湍流海洋中,湍流对信号轨道角动量探测概率的影响在其传输几十米以后已经非常明显.海洋湍流会明显降低信号轨道角动量探测概率,使得轨道角动量串音变强,螺旋谱扩展严重.海洋湍流影响随着轨道角动量角向模式、径向模式增加,以及发射波长减小而增加.较长的发射波长能降低海洋湍流影响,但考虑到海洋散射和吸收作用,蓝绿波长仍然是最佳选择.

摘要： 设计了一种新颖的基于相移表面的螺旋相位板天线.利用相位叠加原理,将透镜对球面波的相位补偿与方位角成正比的波前叠加,使螺旋相位板具有波束聚焦的功能.设计出八种对透射波具有不同相移量的元胞单元,组成控制透射波相位的天线阵列,进行了仿真分析和实验测试.研究表明,该相位板天线能够辐射拓扑荷为1的轨道角动量波束,工作频率为60GHz,回波反射小于-15dB,主瓣辐射角为4°.

摘要： 光子轨道角动量量子态具有高维和光学涡旋特性,在经典和量子领域展示出了巨大的应用潜力,目前对其研究已成为物理学的一个热点.本实验研究了利用Sagnac干涉仪干涉的方法将具有不同轨道角动量的光束无破坏地分离到不同的路径,实现了光子轨道角动量分束.实验中利用此分束器验证了对几种不同轨道角动量态(包含叠加态)的分离,得到了与理论预期相符的实验结果.这种对轨道角动量态的区分的方法相比已有的其他区分方法具有较好的稳定性,而且可用于区分叠加态,可以达到单光子水平.这种干涉仪方法将不同的轨道角动量本征态与路径耦合,实现了自旋轨道角动量-路径纠缠.文中最后用偏振耦合的方式提出了一种无损的多级级联方案,这种新方案有望应用在高维编码上,在高密度通信、量子保密通信、量子计算与量子信息等领域有重要的意义.

摘要： 本文采用相位编码的点声源阵列建立了不同拓扑荷的声涡旋模型，并基于此模型推导了声涡旋携带的轨道角动量，仿真了不同拓扑荷声涡旋对对称物体的声辐射力矩。为了验证计算结果，利用实验建立的声源阵列形成了不同拓扑荷的声场并对形成的声场和作用在吸声圆盘上的力矩进行了定量测量。结果表明，力矩比轨道角动量更能反映声涡旋对物体的旋转驱动作用。对于半径有限的物体，其受到的力矩并不与拓扑荷成正比，其大小与物体半径有关。

摘要： 本文主要介绍西安理工大学在OAM(Orbital Angular Momentum,轨道角动量)复用领域的若干研究进展.轨道角动量多路复用是在继时分多路复用(Time Division Multiplexing,TDM)、码分多路复用(Code Division Multiplexing,CDM)、频分多路复用(Frequency Division Multiplexing,WDM)和空间分复用(Space Division Multiplexing,SDM)技术之后出现的一个多路复用技术.研究了涡旋光束的生成、传输、波前校正以及检测,讨论了大气湍流对OAM叠加态的影响.研究成果为OAM复用通信系统的实现提供了理论基础和实验基础.

摘要： 在弱测量的基础上提出了一种精确测量光束轨道角动量(Orbital Angular Momen-tum,OAM)的方案,通过测量OAM态的空间位移,获得未知OAM态的拓扑荷数.研究给出了精确测量轨道角动量的有效条件,并从实验上验证了偏振自由度和空间自由度的弱耦合能够实现对OAM态拓扑荷的精确测量.

摘要： 本文设计一种基于OAM的环形缝隙行波天线，实现了4个OAM模式的复用，并利用环焦双曲面和抛物面实现了波束的汇聚，仿真结果表明天线具有低反射和较好的隔离度，实物天线可用于4-OAM模式复用解复用通信链路的实现。

摘要： 光纤通信网络是当前乃至今后相当一段时间内,信息通信的主要传输通道.随着信息通信的飞速发展,对光纤通信提出了大容量传输的要求,这要求光纤技术朝可支持大容量、高速率方向发展.本文简要介绍了几种可支持大容量光纤通信的新型光纤技术.

摘要： 本发明公开了一种一次产生多个同轴轨道角动量态的方法，包括以下步骤：步骤1：将来自激光器的高斯光经过准直器准直后，送入光束偏转装置；步骤2：通过光束偏转装置的控制器的控制，高斯光束发生不同角度偏转，出射的高斯光束经过由多个透镜组成的准直系统后，照射在圆形阵列涡旋达曼光栅的不同位置上，经过圆形阵列涡旋达曼光栅透射的光束转变为多个不同拓扑荷值的同轴轨道角动量光束，并在焦平面上显示多个同心圆图案。本发明将光束偏转置和改进的圆形阵列涡旋达曼光栅运用到轨道角动量光束的产生领域中，实现了对多个同轴轨道角动量态的新型快速生成方法。

摘要： 本发明提供一种轨道角动量天线组件，用于收发微波信号，包括移相部件和第一调节组件，其中，移相部件呈板状结构，用于调节微波信号的传输相位；第一调节组件设置于移相部件的一侧且包括至少一个调节部件，用于接收微波信号；其中，调节部件包括由铁氧体材料制成的基板以及镶嵌于基板上的芯材绕组，基板和芯材绕组用于调节微波信号的传输相位；其中，第一调节组件用于通过改变芯材绕组的形状和改变输入电压调节微波信号的传输相位。可见，使用本发明所描述的，能够通过多部件的组合实现轨道角动量天线的模式可重构。

摘要： 本发明提供一种偏振调制轨道角动量的轨道角动量产生装置与方法，所述装置包括高斯光源模块，第一轨道角动量调制模块，第二轨道角动量调制模块和复用模块；该装置工作时，高斯光源模块产生任意偏振态的高斯光束，进入复用模块，复用模块将高斯光束分解成偏振方向为水平和偏振方向为垂直的两个偏振分量，并分别导入第一或第二轨道角动量调制模块，调制模块分别对两个分量进行偏振无关的轨道角动量调制，调制后的两个光分量将返回复用模块，复用模块将两个分量光叠加，最后输出轨道角动量态或叠加态。其结构紧凑，制作成本较低，所需器件与技术较为成熟，可高速产生任意拓扑荷数的轨道角动量态及叠加态，速率可达MHz的量级。

摘要： 本发明公开了一种一次产生多个同轴轨道角动量态的方法，包括以下步骤：步骤1：将来自激光器的高斯光经过准直器准直后，送入光束偏转装置；步骤2：通过光束偏转装置的控制器的控制，高斯光束发生不同角度偏转，出射的高斯光束经过由多个透镜组成的准直系统后，照射在圆形阵列涡旋达曼光栅的不同位置上，经过圆形阵列涡旋达曼光栅透射的光束转变为多个不同拓扑荷值的同轴轨道角动量光束，并在焦平面上显示多个同心圆图案。本发明将光束偏转置和改进的圆形阵列涡旋达曼光栅运用到轨道角动量光束的产生领域中，实现了对多个同轴轨道角动量态的新型快速生成方法。

摘要： 本发明公开了一种复用涡旋光束轨道角动量模式的检测系统及其方法，涉及光通信技术领域。本系统包括高斯光源、调制装置、产生待测复用涡旋光束装置、产生辅助高斯光束装置、第1检测装置、第1接收装置、第2检测装置和第2接收装置；第1控制器控制第1空间光调制器；第2控制器控制第2空间光调制器和第1接收器，并显示第1检测结果；第3控制器控制第3空间光调制器和第2接收器，并显示第2检测结果。本方法包括①在发射端：②在检测端；③在接收端。本系统简单而又高效地实现复用涡旋光束高阶OAM模式的检测；本系统的结构简单，易于实现；本发明适用于光学微操作、光学成像、光通信和量子信息研究领域提供对复用涡旋光束OAM模式的检测。

摘要： 本公开实施例公开了基于轨道角动量OAM实现信号覆盖的系统、方法及设备，所述系统包括：第一调制模块，用于将本小区数据信道发送的数据加载到OAM载波上进行调制；第二调制模块，用于将本小区控制信道发送的数据加载到所述OAM载波上进行调制；或者用于将本小区控制信道发送的数据加载到非OAM载波上进行调制。上述技术方案对数据信道、控制信道发送的数据选择相应的调制方式，考虑到数据信道通常发送的数据量大，利用OAM载波进行信号调制可以提高信道容量，而控制信道发送的数据量较小，因此控制信道可以采用非OAM载波调制，当然也可以采用OAM载波调制，实现移动网络区域内的OAM信号覆盖。

摘要： 本发明公开了一种携带轨道角动量的预报单光子产生系统及方法，系统包括光学谐振腔、PPKTP非线性晶体、偏振分束器、法拉第旋光器、四分之一波片、涡旋半波片、分色镜、滤波片和单光子探测器，其中，所述光学谐振腔位于泵浦光之后，所述PPKTP非线性晶体、偏振分束器、法拉第旋光器、四分之一波片、涡旋半波片依次位于所述光学谐振腔内的光路上，所述分色镜位于所述偏振分束器反射端之后的光路上，所述滤波片和单光子探测器依次位于所述光学谐振腔射出的光束的光路上。本发明陈述的单光子纯度更高、线宽更窄。

摘要： 提供了一种基于涡旋光束轨道角动量的多焦点超表面的设计方法及成像器件。根据一实施例，该设计方法包括如下步骤：对圆偏振光束透过纳米结构单元后的转极化效率进行模拟；设定目标工作波长，确定纳米结构单元的几何结构尺寸，其中，所述纳米结构单元对在所述目标工作波长的圆偏振光束的转极化效率大于预定值；以及对纳米结构单元沿半径方向进行周期性排布，结合在每个位置上的纳米结构单元绕自身中心旋转实现的附加几何相位，使得携带轨道角动量的圆偏振涡旋光束在不同空间位置实现聚焦。本发明的方法可实现入射光在不同空间位置处的聚焦，从而弥补了传统光学成像系统中依赖机械位移控制透镜位置变化实现变焦的弊端。

摘要： 本发明公开了基于硅基波导的携带两束相反手性光子轨道角动量产生器，包括二氧化硅包层基板，还包括设置在二氧化硅包层基板中的信号输入波导、第一输出波导和第二输出波导，第一输出波导的耦合输入端以及第二输出波导的耦合输入端与信号输入波导之间均保持设定耦合间距和设定耦合长度，第一输出波导以及第二输出波导上分别设置有第一沟槽和第二沟槽。本发明结构紧凑新颖；无源器件尺寸小、功能稳定、损耗小；方便设计、易于集成。

摘要： 本申请涉及一种偏振无关型轨道角动量调制器和轨道角动量光束发生器。所述偏振无关型轨道角动量调制器包括光纤主体。所述光纤主体具有螺旋光纤结构，所述螺旋光纤结构具有长周期光纤光栅效应。所述光纤主体轴向具有周期性的螺旋折射率调制，所述螺旋折射率调制周期位于百微米量级，所述螺旋折射率调制分布于所述光纤主体的轴向、径向和角向，用于激发螺旋相位，产生轨道角动量光束。上述偏振无关型轨道角动量调制器，可以在一定带宽内激发螺旋相位，不会形成对偏振敏感的特定方向，具有偏振无关性。全光纤结构在通信中有利于集成，具有良好的兼容性，无需其他器件辅助，具有结构简单、容易制备等优势。