近日苏州大学 赵承良教授课题组，针对部分相干分数阶涡旋光束，提出了一套基于相干相位谱分析的拓扑荷定量测量实验方案（图1），该方法不受限于光场的振幅与相干度，适用于随机涨落的部分相干分数阶涡旋光束拓扑荷的定量测量，具有一定的普适性和灵活性。
涡旋光束是指一种携带螺旋相位的光束，其波前沿光轴方向螺旋旋转。在大多数与涡旋相关的研究中，拓扑荷的值仅被限制为整数。事实上，拓扑荷的值也可以是非整数，具有非整数拓扑荷的涡旋光束称为分数阶涡旋光束。与仅实现微粒旋转的整数阶涡旋光束相比，分数阶涡旋光束，可以实现细胞分选、细胞取向的精确控制、扩展通信容量、实现高维光学纠缠等。在分数阶涡旋光束的广泛应用中，拓扑荷的精确测量是前提更是基础。据了解，对于随机涨落的部分相干分数阶涡旋光束，拓扑荷的定量测量仍然具有极大的挑战性。
该方案实现通过测量远场的交叉谱密度信息，实现源平面相位信息的重建以及相干相位谱的计算。分数阶涡旋光束在传播过程中奇点会随着传输而发生变化，远场的相位会受到复杂的振幅和较低的相干度影响，而分布不同。因此，源平面中的拓扑荷测量比任何其他传播平面中的拓扑荷测量更准确。首先利用多模式叠层相干衍射成像算法重构出焦场多重电场模式；然后对各个模式进行独立逆传输计算，恢复源平面混合电场模式，并计算交叉谱密度函数；进一步地，通过选取参考点，将四维交叉谱密度函数投影到二维，提取相位信息，即分数阶涡旋相位，以计算相位谱。最后，利用相干相位谱定量计算拓扑荷大小。
该工作成功实现基于通道间隔为0.1的部分相干分数阶涡旋光束的自由空间光学编码/解码方案。利用26个拓扑荷（从1到3.5）传输26进制字母信息，验证了使用所提出的编码/解码方案实现自由空间通信的可行性。基于本文提出的方案，该方法有望应用于X射线、LED光和电子束等非完全相干光束的拓扑荷精确测量。在光加密、大容量光通信、量子纠缠等方面具有潜在的应用前景。
该课题由我院赵承良教授研究团队、山东师范大学蔡阳健教授团队以及上海理工大学詹其文教授团队合作完成，苏州大学为第一完成单位。卢兴园博士后、赵承良教授以及蔡阳健教授为论文的共同通讯作者，苏州大学博士研究生王卓异为论文第一作者。相关工作以“Coherence phase spectrum analyzer for a randomly fluctuated fractional vortex beam”为题发表在Photonics Research (DOI: 10.1364/PRJ.499520)。研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国博士后科学基金、江苏省现代光学技术重点实验室以及江苏高校优势学科建设工程资助项目等项目的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1364/PRJ.499520
