苏州大学赵承良教授与山东师范大学蔡阳健教授、上海理工大学詹其文教授合作提出了一种随机波动与遮挡下涡旋光束轨道角动量的实时测量方法，基于相移定理和自参考全息技术，将三次相位扰动编码在同一张全息图上，从而实现对待测涡旋光束的轨道角动量进行实时测量。通过这种新方法，实验上实现了被随机障碍物遮挡并经过湍流环境下的涡旋光束的轨道角动量的大小和符号的实时精确测量。这为非理想环境下光通信应用中的信息精确解码提供了理论基础。该研究成果以“Single-shot phase retrieval for randomly fluctuated and obstructed vortex beams”为题发表在Science China Physics, Mechanics & Astronomy上。
携带有轨道角动量并因此具有更高信息编码自由度的涡旋光束在大容量光通信领域具有重要的应用价值。在信息接收端，对传输后的涡旋光束的轨道角动量进行探测，从而实现信息的精确解码成为了一个至关重要的工作。然而，光束在自由空间传输的过程中可能会遇到障碍物或者大气湍流等扰动，从而导致光束的信息受损以及相干性的下降。因此，传统测量完全相干和部分相干涡旋光束轨道角动量的方法难以满足在复杂传输环境中的应用需求。
针对这些问题，该团队选取了科赫雪花、随机点阵图像和现实中的植物--文竹来作为障碍物从而实现对涡旋光束的遮挡；然后使用恒温热板来产生实验室中的湍流，最后结合相移法和自参考全息技术对受到随机遮挡和扰动的涡旋光束的交叉谱密度进行了测量，从交叉谱密度相位中的相干奇点中可以实时且精确地测量待测涡旋光束的轨道角动量的大小和符号。
图1. 被遮挡的部分相干涡旋光束在湍流中传输和测量的光路图。（a）表示科赫雪花分形结构遮挡的涡旋光束的示意图，（b）表示源平面的光强分布，（c）表示焦平面的光强分布。
在如图1所示的光路图中，该团队利用空间光调制器加载了被科赫雪花分形结构遮挡的涡旋光束的全息图。实验中利用旋转散射体来调控光束的相干度，使用电热板来产生实验室中的热湍流。在实验的最后部分，为了实验上测量受到扰动和遮挡的部分相干涡旋光束的轨道角动量的大小和符号，利用一个高分辨率的空间光调制器来同时加载三次不同的相位扰动，进而通过全息算法来恢复待测光束的交叉谱密度函数。
图2. 轨道角动量的实时测量过程。
受到遮挡和湍流扰动的部分相干涡旋光束照射到一个复合的相位全息图上。该全息图同时编码有三种不同的相位扰动，并基于相移的方法将受到不同相位扰动的光强位移到不同的空间位置。最后对三次光强进行计算，可以恢复待测光束的交叉谱密度的相位分布，从相干奇点的数量和环绕相干奇点的相位变化方向可以实时探测轨道角动量的大小和符号，如图2所示。
图3 湍流下被遮挡的部分相干涡旋光束的轨道角动量实时测量结果。
图3展示了被科赫雪花分形结构和随机点阵遮挡后的测量结果。由于部分相干涡旋光束的光强具有自修复特性，只要相位扰动点选取在光强不为零的位置，就可以从测量到的交叉谱密度的相位中恢复轨道角动量的信息。我们的方法实现了涡旋光束轨道角动量的实时精确测量，并且具有更强的抗湍流和遮挡的特性。
该工作提出了一种基于相移定理和自参考全息的快速相位恢复方法，利用该方法可以同时获得三种不同扰动的衍射光强信息，从而实现涡旋光束相位的快速恢复。进而根据恢复的相位中的相干奇点，从而同时实现涡旋光束轨道角动量的大小和符号的精确测量。此外，该方法具有更强的抗随机扰动和遮挡的特性，提供了更高的测量容错能力，可以对200℃和300℃热湍流环境中被障碍物阻挡的涡旋光束的轨道角动量进行快速且精确的测量，为非完美环境下的自由空间光通信中的精确信息解码提供了一个解决方案。
该工作得到了国家重点研发计划（2022YFA1404800，2019YFA0705000）、国家自然科学基金（12174280, 12204340, 12192254, 11974218, 92250304, 92050202）、中国博士后科学基金（2022M722325）和江苏省现代光学技术重点实验室（KJS2138）的资助。
原文链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s11433-023-2290-8
