新技术只需一次拍摄即可测量结构光

同轴克拉默-克罗尼格干涉测量法在一次拍摄中检索出轨道角动量的光谱。资料来源：Advanced Photonics (2023)。doi: 10.1117/1.ap.5.3.036006

具有螺旋相位前沿的结构光波携带轨道角动量（OAM），这归因于光子的旋转运动。最近，科学家们一直在使用具有 OAM 的光波，这些特殊的 "螺旋 "光束在通信、成像和量子信息处理等各种先进技术中变得非常重要。在这些技术中，了解这些特殊光束的确切结构至关重要。然而，事实证明这相当棘手。

干涉测量法--将光场与已知参考场叠加，从干涉中提取信息--可以利用照相机检索 OAM 频谱信息。由于照相机只能记录干扰的强度，因此这种测量技术会遇到额外的串扰，即 "信号-信号节拍干扰"（SSBI），从而使检索过程复杂化。这就像听到多个重叠的声音一样，很难分辨出原始音符。

最近，来自中山大学和洛桑联邦理工学院（EPFL）的研究人员在《先进光子学》（Advanced Photonics）杂志上报道了一项突破性进展，他们使用了一种名为克拉默-克罗尼格（KK）关系的强大数学工具，该工具有助于理解和解决问题。这一工具使他们能够将复杂的螺旋光模式从相机的纯强度测量中分离出来，以便在简单的轴上干涉测量中进行单次检索。他们探索了时频和方位 OAM 域之间的二元性，应用 KK 方法研究了各种 OAM 场，包括塔尔博特自成像花瓣和分数 OAM 模式。

复杂 OAM 光谱的测量结果。左图：测量到的信号强度图像和干涉图；右图：目标的归一化振幅和相对相位，以及实验检索到的 OAM 光谱。(a-d）以 10 阶为中心的高斯型 OAM 光谱，具有多种 OAM 模式间隔和相对相位关系。(a) 模式间距为 1 的同相 OAM 光谱。(b) 相位斜率为 2π/3、模式间距为 1 的线性相 OAM 光谱。(c) 模式间距为 3 的同相 OAM 光谱。还标明了每种情况下的检索精度。资料来源：Advanced Photonics (2023)。DOI: 10.1117/1.AP.5.3.036006

这项新的测量技术对于推动依赖于这些特殊光型的技术具有巨大潜力。据通讯作者胡建琪（现为法国高等师范学院卡斯勒-布罗瑟实验室博士后）说："所提出的方法还可以推广到具有复杂径向结构的 OAM 光束，使其成为一种强大的技术，只需用相机进行快照，就能对结构光场进行实时测量"。
 

与传统的轴上干涉测量法相比，研究人员展示的 KK 方法不仅加快了测量速度，而且更加简单、经济。得益于这项新技术，科学家们获得了利用 OAM 揭开结构光波秘密的有力手段。这一突破有可能彻底改变各种技术，为不久的将来在结构光领域取得令人振奋的进步铺平道路。

资料来源：

Zhongzheng Lin et al, Single-shot Kramers–Kronig complex orbital angular momentum spectrum retrieval, Advanced Photonics (2023). DOI: 10.1117/1.AP.5.3.036006

本文由光电查搜集整理，未经同行评议，请自行判断可信度。仅供学习使用。