研究进展

空间模式分析仪:空间光束的“万用表”

发布时间:2018-03-07 10:49


自然界中的光束通常存在着固定的模式,按照不同的正交基可以将空间光束分解为不同的模式组合,如多模光纤中的横向分布模式LP模,自由空间传播的光束如矢量光束、涡旋光束、轨道角动量光束等等。光束空间模式特性非常重要,如在光通信领域,空间模式表征了不同的信道;在量子光学中,空间模式表征了高维量子态;在光学操控中,空间模式表征了力矩的大小等等,因此分析和测量空间光束的模式构成是光学领域非常基础的科学研究工具,是从事相关科学研究的必备手段。类似于分析电子设备必须用到万用表,空间模式分析仪是空间光学中的一种基本测量工具,它能分析光束的空间模式分布特性,对复杂空间光束进行解析,判断模式存在的类型、数量、比例、以及相位关系等。

为此科学家们对光束空间模式测量技术进行不懈的追求和努力,虽然取得了一定的进展,但是大多停留在实验室阶段,而且各种测量方案都具有特殊性,是为了特定的、具体的科学研究而设置的,不具备普适性。这些测量方法无法应用于工业生产中,实现快速、规模化、流水线的高效分析和测试,因此开发一款普适的、多功能的空间模式分析仪具有重要的科学价值和应用价值。


1旋转多普勒效应原理图。

来自华中科技大学武汉光电国家实验室的张新亮教授和董建绩教授在轨道角动量光束测量领域进行了长期的研究和探索,从理论上证明了利用旋转多普勒效应可以将空间模式信息完整地映射到光波的频移上(如图1),并发现旋转物表面并非标准镜面,而是携带了各种空间螺旋相位分布的叠加函数(Optics Express: 2016 pp 10050),在该理论的指导下,进一步根据旋转物散射光的频率构成,反推出入射光空间模式的分布。通过合理的设计拍频效应,将空间模式一一映射到拍频频率上,利用光电探测器分析拍频信号的成分还原出入射模式的复振幅分布,包括幅度信息和相位信息,即一种空间模式分析仪。该项技术可一次性地测量出光束的模式组成成分,包括轨道角动量模式分布和LP模式分布(如图2),极大地推进了空间模式测量技术的发展;该技术也被应用于测量少模光纤中的模式损耗和传播常数,进一步开发成一种光纤特征参数分析仪(国家发明专利,“一种光纤特征参数测量仪器”, 专利号:201611174519.7),这种多功能的测量仪器犹如是空间光束的万用表,在光学通信、空间光学等领域发挥着重要的作用。

2 a,b)轨道角动量模式和(c,dLP模式分析仪实验结果。

该项成果是华中科技大学、西安交通大学和中山大学合作完成,并于2017424日发表于自然出版集团旗下学术期刊Light: Science & Applications,博士生周海龙、付栋之为该研究论文的共同第一作者,董建绩教授、张沛副教授为通讯作者。该项研究得到了中国国家重点基础研究项目(No.2011CB301704);教育部新世纪优秀人才项目(No. NCET-11-0168);全国优秀博士论文资助基金(No. 201139);中国国家自然科学基金(No.11174096113740081153400861475052);湖北省基础创新研究群体自然科学基金(No. 2014CFA004)的支持,论文全文链接为:http://rdcu.be/ru8E  

[1] H.-L. Zhou, D.-Z. Fu, J.-J. Dong, P. Zhang, D.-X. Chen, X.-L. Cai, F.-L. Li, and X.-L. Zhang, "Orbital angular momentum complex spectrum analyzer for vortex light based on the rotational Doppler effect," Light Sci Appl. 6, e16251 (2017).