近日，北京理工大學(xué)光電學(xué)院付時(shí)堯、高春清團(tuán)隊(duì)提出了一種緊湊型光子角動(dòng)量譜智能感知方法，采用自主研發(fā)的周期漸變超表面提取待測(cè)光束的角動(dòng)量特征，并經(jīng)設(shè)計(jì)搭建的SADT-Net神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能分析，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光子角動(dòng)量譜的精確測(cè)量，該項(xiàng)研究成果以“Metasurface based intelligent identification of total angular momentum spectra for beams”為題發(fā)表于SCI一區(qū)期刊ACS Photonics。該工作得到了北京市自然科學(xué)基金、國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。該工作的合作單位為中國(guó)電力科學(xué)研究院以及香港理工大學(xué)，北京理工大學(xué)是唯一通訊作者單位。北京理工大學(xué)光電學(xué)院2022級(jí)博士研究生李浪、2022級(jí)碩士研究生高李梁、中國(guó)電科院程宇心博士為該論文的共同第一作者，付時(shí)堯教授為該論文的通訊作者。

先前研究表明，光子作為一種能量子，也可攜帶角動(dòng)量。在傍軸近似下，光子的總角動(dòng)量態(tài)可表示為自旋角動(dòng)量態(tài)與軌道角動(dòng)量態(tài)的直積。自旋角動(dòng)量有兩個(gè)本征值，對(duì)應(yīng)宏觀的左右旋圓偏振態(tài)；而軌道角動(dòng)量對(duì)應(yīng)于宏觀的螺旋波面，其本征值可為任意整數(shù)。由于這些總角動(dòng)量模式彼此正交，一束光中可同時(shí)包含多個(gè)總角動(dòng)量模式，這些模式的相對(duì)強(qiáng)度分布就是這束光的總角動(dòng)量譜，決定了光束的橫向拓?fù)?span onclick="sendmsg('pw_ajax.php','action=relatetag&tagname=結(jié)構(gòu)',this.id)" style="cursor:pointer;border-bottom: 1px solid #FA891B;" id="rlt_8">結(jié)構(gòu)（各向異性波前及偏振分布）。光束的總角動(dòng)量已應(yīng)用于大容量光通信、信息加密、新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)光場(chǎng)研究等領(lǐng)域，而高精度測(cè)量總角動(dòng)量譜是這些前沿領(lǐng)域的核心基礎(chǔ)。不同于軌道角動(dòng)量譜的單一自由度測(cè)量，總角動(dòng)量譜測(cè)量需要對(duì)兩種自旋角動(dòng)量態(tài)下的軌道角動(dòng)量譜進(jìn)行同時(shí)感測(cè)�，F(xiàn)有技術(shù)通常利用偏振敏感器件進(jìn)行光束總角動(dòng)量模式分束以間接測(cè)量，但分束模式易混疊，支持模式數(shù)有限，僅能識(shí)別總角動(dòng)量模式，很難測(cè)量總角動(dòng)量譜。

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圖1.光束總角動(dòng)量譜測(cè)量基本原理

針對(duì)上述問(wèn)題，為實(shí)現(xiàn)對(duì)光子總角動(dòng)量譜的精確測(cè)量，付時(shí)堯教授團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用幾何相位設(shè)計(jì)方法，制備了周期漸變結(jié)構(gòu)超表面，完成了對(duì)待測(cè)光束總角動(dòng)量分布特征的提取。該超表面的兩個(gè)衍射級(jí)分別為兩個(gè)自旋角動(dòng)量本征模式下的特征提取衍射光場(chǎng)，經(jīng)相機(jī)采集后，再利用該工作設(shè)計(jì)訓(xùn)練的、建立了特征衍射光場(chǎng)與對(duì)應(yīng)總角動(dòng)量譜的映射關(guān)系的SADT-Net卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析，最終高精度測(cè)量了待測(cè)光束的總角動(dòng)量譜，測(cè)量均方誤差達(dá)到了10-6。該方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)自旋角動(dòng)量譜和軌道角動(dòng)量譜的同時(shí)測(cè)量，最多支持34個(gè)總角動(dòng)量模式，且魯棒性強(qiáng)。此外，該測(cè)量方法表現(xiàn)出很強(qiáng)的抗噪聲的能力，在實(shí)驗(yàn)中引入圖像采集噪聲、光路對(duì)準(zhǔn)誤差后，仍能保持光束總角動(dòng)量譜的高精度識(shí)別。

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圖2.不同強(qiáng)度圖像采集噪聲下的光束總角動(dòng)量譜識(shí)別效果

該工作利用周期漸變結(jié)構(gòu)超表面成功提取了待測(cè)光束的總角動(dòng)量分布特征，再經(jīng)人工智能算法識(shí)別，最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)光束總角動(dòng)量譜的快速高精度測(cè)量，提供了緊湊、快速、穩(wěn)定、準(zhǔn)確的光子態(tài)譜測(cè)量方案。該工作將有力促進(jìn)大容量激光通信、新型激光探測(cè)、高維量子信息等基于光子角動(dòng)量的新質(zhì)應(yīng)用發(fā)展。

論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsphotonics.4c01930